Проект РЕЗОНАНС

СОСТАВ КОМПЛЕКСА НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ

Предварительные замечания

В первой главе настоящего отчета рассмотрены основные научные задачи проекта РЕЗОНАНС и сформулированы требования по точности и временному разрешению для измерений электромагнитных полей и параметров плазмы. Сравнение этих требований с возможностями традиционных, ранее использовавшихся приборов [1] показывают, что для решения задач проекта РЕЗОНАНС вполне достаточно использовать традиционные приборы для измерения электромагнитных полей. Однако к измерениям параметров плазмы предъявляются более высокие требования. Это связано с тем, что в проекте ставится задача серьезного исследования нелинейных и нестационарных процессов в магнитосфере. Поэтому измерения параметров плазмы и полей должны быть соразмерны характерным временам развития таких процессов. Такая постановка задачи приводит к необходимости существенно увеличить временное разрешение параметров плазмы. Однако это требование сталкивается с естественными трудностями, поскольку плотность плазмы на высотах спутников РЕЗОНАНС невелика (порядка 10 частиц в см. куб.). Поэтому для высокоточных и скоростных измерений плазмы необходимо использовать детекторы с большим геометрическим фактором, т.е. приборы с большими входными окнами, что непросто сделать на небольшом спутнике.

Для решения этой задачи предлагается комбинированный подход - использовать комбинацию традиционных и специальных приборов. Этот подход позволяет:

получить удовлетворительное временное разрешение, при разумных размерах приборов;

проводить сравнительный анализ с ранее проведенными экспериментами, т.е. сохранить преемственность в измерениях, что важно для сравнения с ранее проведенными экспериментами;

заметным образом упростить, а, следовательно, и уменьшить стоимость разработки приборов.

При рассмотрении состава и возможностей комплекса научной аппаратуры (КНА) использовался положительный опыт проекта ИНТЕРБОЛ [1]. Служебные системы, входившие в проекте ИНТЕРБОЛ в состав КНА (ССНИ, СТО, БНС и др.) в этом отчете не рассматриваются, но использование аналогичных систем предполагается. Подробно этот вопрос будет рассмотрен на последующих этапах работы по проекту.

Комплекс приборов для измерения параметров плазмы и энергичных частиц.

Измерения плотности и температуры электронов будут проводиться прибором на основе модифицированного зонда Ленгмюра. Прототипы этого прибора, приборы типа КМ (КМ-7 на спутнике АВРОРАЛЬНЫЙ ЗОНД), неоднократно использовались в космических проекта и хорошо себя зарекомендовали [2].

Для измерения параметров тепловых ионов будет использован прибор, прототипом которого является прибор ГИПЕРБОЛОИД [3]. Он является многонаправленным энерго-масс-спектрометром, измеряющим функции распределения ионов в интервале энергий от 0.1 до 80 эВ. В стандартном режиме прибор измеряет одновременно 4 иона - H⁺ , He⁺ , O⁺ и O⁺⁺ . Угол обзора составляет 145^о, угловое разрешение - 6^о - 3^о , а энергетическое разрешение - D Е/Е ~ 0.1.

Измерения параметров энергичных частиц будет проводиться прибором, прототипом которого является прибор ИОН на спутнике АВРОРАЛЬНЫЙ ЗОНД [4]. Масс-спектрометр ИОН измеряет последовательно четыре сорта ионов: H⁺ , He⁺ , He⁺⁺ и O⁺ с энергиями 10эВ - 20 кэВ. Временное разрешение прибора составляет ~ 3 с.

Другим прототипом является прибор ПРОМИКС-3. Он имеет сходные с прибором ИОН параметры [5].

Для быстрого измерения надтепловых частиц в энергетическом диапазоне 5 - 50 кэВ разрабатывается оригинальный прибор, не имеющий аналогов. Этот прибор будет проводить измерения с высоким временным (10 мс) и энергетическим разрешением (~ 100 эВ).

Для исследования параметров высокоэнергичных частиц будет использован прибор, аналогом которого является прибор ДОК-2 на спутнике АВРОРАЛЬНЫЙ ЗОНД. Этот прибор измеряет электроны с энергиями 27-400 кэВ и протоны с энергиями 20-800кэВ [6].

Комплекс приборов для измерения параметров электромагнитных полей.

Для измерения постоянного магнитного поля будет использован трехкомпонентный феррозондовый магнитометр. Это прибор во многом является традиционным и его аналогом является магнитометр ИМАП-3 на спутнике АВРОРАЛЬНЫЙ ЗОНД [7]. Для проекта РЕЗОНАНС разработан прибор ФМ-7Р, имеющий диапазон измерений +/- 60 мкТл, чувствительность ~ 0.1 нТ, частотный диапазон 0-10 Гц.

Три компоненты электрического поля в диапазоне частит 0 - 30 Гц три компоненты магнитного поля в диапазоне частот 5 т- 30 Гц будут измеряться при помощи электрической антенн с базой ~ 20 м и набора магнитных индукционных датчиков, размещенных на штангах КА. Динамический диапазон - 100 дБ для постоянных электрических полей и 80 дБ в диапазоне УНЧ. Верхняя частота 30 Гц выбрана с тем, чтобы можно было регистрировать излучения на локальной гирочастоте протонов. Аналогом этого прибора на спутнике АВРОРАЛЬНЫЙ ЗОНД является прибор ИЭСП-2М [8].

Для измерений в диапазоне КНЧ/ОНЧ (до 30 кГц) будут использованы датчики п.2. Предусмотрен режим работы прибора, в котором с борта спутника будет передаваться волновая форма сигнала. Для этого будет использована аналоговая ТМ. Подобным прибором на спутнике АВРОРАЛЬНЫЙ ЗОНД является прибор НВК-ОНЧ [9].

Аналогом прибора для измерения ВЧ электромагнитных полей в диапазоне 10 кГц - 2 МГц является спектрополяриметр ПОЛЬРАД на спутнике АВРОРАЛЬНЫЙ ЗОНД [10]. Однако орбиты спутников проекта РЕЗОНАНС не являются оптимальными для изучения АКР и поэтому поляриметрические измерения не предполагаются.

Сводная таблица КНА

Измеряемые параметры	Диапазон измерений	Параметрическое разрешение	Временное разрешение
1	2	3	4
Концентрация и температура фоновых электронов	1 - 10⁴ частиц/см³	10^-3
Функция распределения 4-х сортов тепловых ионов	Энергетический диапазон: 1-80 эВ	D Е/Е ~ 0.1	1 сек
Потоки надтепловых электронов и 4-х сортов ионов	Энергетический диапазон: 0.01 - 20 кэВ	32/16 энергетических ступеней	1 сек
Потоки энергичных электронов и протонов	Энергетический диапазон: До 400 кэВ (е) До 800 кэВ (р)
Быстрые измерения функции распределения частиц	Энергетический диапазон: 5 - 50 кэВ	Энергетическое разрешение: ~ 100 эВ	10 мс
Постоянное магнитное поле	+/- 60 мкТл	0.1 нТл	1/16 сек

1	2	3	4
Постоянное электрическое и УНЧ электромагнитное поле	Частотный диапазон: 0 - 30 Гц	Динамический диапазон: DC - 100 дБ УНЧ - 80 дБ	1 сек
Электоромагнитное поле в КНЧ/ОНЧ диапазоне	Частотный диапазон: 0.01 - 30 кГц	Динамический диапазон: 60 дБ	33 мкс
ВЧ электромагнитное поле	Частотный диапазон: 10 кГц - 2 МГц	Динамический диапазон: 60 дБ	0.1 сек