Космический плазменный эксперимент "Тень" с участием радиолюбителей на МКС

Мотивы и предпосылки

Специалисты по космической технике связывают перспективы дальнейшего исследования и использования космического пространства с применением электрореактивных двигателей (ЭРД). Они отличаются от привычных двигателей на химическом топливе тем, что испускаемые ими реактивные струи состоят не из горячего газа, а из заряженных частиц, которые имеют в десятки раз большую скорость истечения при подводе электроэнергии от бортового источника. ЭРД развивают очень небольшую силу тяги - не более нескольких десятков граммов. Поэтому, они не в состоянии поднять ракету с поверхности Земли. Преимущества ЭРД сказываются тогда, когда они выведены на орбиту в составе какого-нибудь спутника или космического корабля.

Вследствии высокой скорости истечения реактивной струи, ЭРД затрачивают во много раз меньше рабочего вещества на совершение какого-либо маневра в космосе, чем химические двигатели. Поэтому, за несколько лет существования, например, спутника связи ЭРД "съедят" на несколько сот килограмм меньше топлива, чем их химические предшественники. Соответственно, спутник станет легче, и его можно будет запустить ракетой менее тяжелого класса. В случае геостационарного спутника связи, уменьшение массы даст экономию денежных средств в несколько миллионов долларов.

Дело не только в деньгах

Но дело не только в деньгах. Менее мощная ракета наносит меньше вреда окружающей среде. Поэтому, с точки зрения экологии, использование ЭРД более предпочтительно. Кроме того, сами ЭРД - экологически чистые, т.к. они работают на безвредных рабочих веществах: благородных газах, водороде, аммиаке.

В еще большей мере преимущества ЭРД должны проявиться, когда будут налажены значительные грузопотоки в космосе при строительстве крупных космических сооружений, освоении Луны и планет. Поэтому, ЭРД отлично вписываются в перспективные проекты межорбитального буксира и парома на Луну, а некоторые беспилотные межпланетные экспедиции вообще немыслимы без ЭРД. Счет экономии денежных средств от использования ЭРД в таких проектах будет идти уже на сотни миллионов долларов, а меру снижения экологической нагрузки на окружающую среду даже трудно оценить.

Мы с вами являемся свидетелями наступления "золотого века" электрореактивной техники. Ради этого во всех промышленно развитых странах усиленно ведется разработка различных типов ЭРД - от маломощных для вспомогательных операций, до маршевых двигателей многокиловаттного класса.

Однако, причем здесь радиолюбители?

Однако, причем здесь радиолюбители, вправе спросить нетерпеливый читатель. Прочтите эту страницу до конца, и Вы поймете, что в благородном деле внедрения ЭРД радиолюбители и, даже склонные к технике школьники, могут оказаться очень даже "при чем", если, разумеется, захотят.

Внедрение ЭРД ставит перед их разработчиками проблему электромагнитной совместимости ЭРД с другими бортовыми системами. Дело в том, что ионизованные, т.е. плазменные, выхлопные струи ЭРД способны сильно рассеивать радиосигналы, которыми спутник обменивается с Землей или с другими спутниками, т.е. создавать помехи космической радиосвязи вследствие экранирования бортовых радиоантенн плазмой.

Этот эффект плазменного экранирования должен быть тщательно исследован прежде, чем ЭРД займут подобающее им место на борту перспективных космических кораблей. Результаты этого исследования помогут конструкторам будущих космических кораблей на электрореактивной тяге свести к минимуму роль возникающей радиотени.

Немного истории

В 1987 году специалисты российского Центрального НИИ машиностроения предприняли попытку оценить размеры и форму плазменного радиоэкрана в космических экспериментах на спутниках серии "Космос", используя бортовой источник плазмы ЭПИКУР. Исследование расширения плазменной струи производилось известным методом радиозондирования. В качестве зондирующих использовались излучаемые с борта спутника сигналы телеметрической и дальномерной линий, а прошедшие сквозь плазму сигналы принимались штатными наземными измерительными пунктами (НИПами).

Хотя эти опыты прошли успешно, при послеполетном анализе экспериментаторы убедились в том, что им для корректного сравнения теории и эксперимента крайне необходимо знание точной формы и динамики движения границы плазменной радиотени на поверхности Земли. Для таких точных измерений следовало бы развернуть достаточно густую специализированную приемную сеть, т.е. создать мозаику приемников.

Однако, это представляется делом довольно безнадежным, прежде всего в финансовом отношении.

Нужна мозаика приемников!

Возможный выход состоит в том, чтобы для диагностики космического плазменного экрана использовать уже имеющуюся, разбросанную по всему миру сеть любительских УКВ - приемников. Эта мысль легла в основу предложения о проведении нового космического плазменного эксперимента на борту МКС, почти в аналогичной постановке.

Разумеется, весь этот проект может быть осуществлен лишь при непременном условии массового, добровольного и безвозмездного участия в нем радиолюбителей. Только при этом условии будут оправданы немалые затраты на доработку орбитальной станции, доставку на орбиту научной аппаратуры и обслуживание. Чем больше участников, тем точнее научные данные, тем выше качество самого космического эксперимента и тем больше оснований его провести.

К настоящему времени, в основных чертах определены принципы радиозондирования и приема зондирующих посылок бортового радиомаяка, сбора и первичной обработки научной информации методами и средствами радиолюбительской пакетной связи с использованием ресурсов и технологии сети Интернет.

Цель и постановка КЭ "Тень"

Цель КЭ "Тень" состоит в наблюдении эффектов рассеяния радиоизлучения в искусственных плазменных образованиях в космосе путем их радиозондирования в различных геофизических условиях.

Схема проведения КЭ представлена на рис. 1. В заданном регионе с борта орбитальной станции бортовым источником испускается струя плазмы и бортовым радиомаяком, работающим в радиолюбительских УКВ диапазонах частот, излучаются зондирующие сигналы, представляющие собой метки времени. Зондирующее излучение принимается наземной измерительной УКВ-сетью. Струя плазмы частично экранирует антенну радиомаяка, создавая область радиотени, граница которой перемещается по поверхности Земли соответственно движению спутника. При попадании наземного приемника в область радиотени происходит срыв ("отсечка" сигнала), а при выходе из радиотени - возобновление приема. Продолжительность каждого из нескольких сеансов КЭ составляет примерно 6-8 минут.

Задача каждого наземного участника эксперимента состоит в том, чтобы по меткам бортового времени зарегистрировать моменты "отсечки" и возобновления приема сигнала и затем направить эту информацию вместе с сообщением о своем географическом местонахождении на момент приема в Центр сбора и обработки информации (ЦСОНИ).

По геофизическим условиям КЭ целесообразно проводить при пролете станции над Европой (включая страны СНГ), Японией, Северной Америкой, Австралией и другими районами, где будет сформирована достаточно густая радиолюбительская сеть. Для примера результат расчета границ радиотени для Североамериканского измерительного поля представлен на рис. 2.

Пакетное радио и Интернет в КЭ "Тень"

Методика КЭ "Тень" ориентирована на возможности радиолюбительской пакетной связи, что позволяет использовать транспортную цифровую среду сети Интернет, как для измерений, так и для оперативного оповещения участников эксперимента и сбора научной информации.

Одно из предложений по методике генерации меток времени состоит в том, что зондирующий сигнал (бортовой маяк) передается в виде пакета минимальной длительности в формате протокола АХ25 радиолюбительской пакетной связи.

Таким образом, предлагаемая методика КЭ предусматривает крупномасштабный мониторинг преднамеренно созданного плазменного возмущения мозаикой наземных УКВ-приемников.

Такую же технологию можно применить в космическом эксперименте по зондированию непреднамеренно инжектируемой искусственной плазмы, а природной ионосферной плазмы в КВ диапазоне частот (14 МГц). Ожидается, что при рассеянии зондирующего излучения в ионосферной плазме на поверхности Земли должно образоваться “освещенное” пятно. Определение границ этого “освещенного” пятна составляет цель КЭ (условное название “Пятно”), который может быть проведен не обязательно на МКС, а потому заслуживает отдельного обсуждения.

Ожидаемые результаты КЭ "Тень"

Кроме конкретных научных данных, реализация данного космического эксперимента позволит приобрести уникальный опыт привлечения интеллектуального и технического потенциала международного радиолюбительского сообщества, а также технологии и ресурсов Интенет для мониторинга околоземного пространства и оценить возможность использования этого потенциала для перспективных научных проектов.

Фактически КЭ "Тень" представляет собой интересную попытку использования сети Интернет по принципиально новому назначению - не только для распространения информации, но и в качестве измерительного инструмента в пространственно крупномасштабных научных исследованиях.

КЭ "Тень" также способен принести важный социальный эффект, привлекая внимание широкой общественности к космонавтике и к радиолюбительскому делу. При действительно массовом участии радиолюбителей данный проект способен приобрести характер гуманитарной акции, которая объединит интересной и полезной в будущее совместной работой людей различных стран, что всегда способствует установлению духа сотрудничества, взаимопонимания и дружбы.

Представляется также возможным привлечь к участию студенческие и школьные технические коллективы, т.е. придать этому проекту образовательный аспект.

Как это будет, если будет

Как уже отмечалось, КЭ "Тень" может быть осуществлен при условии, что достаточно много радиолюбителей изъявят желание принять в нем участие. После того, как в результате настоящего первичного оповещения в ЦСОНИ поступят заявки на участие и начнется формирование состава приемной УКВ-сети, будут выделены перспективные "мерные" районы с наиболее густой измерительной сетью.

КЭ "Тень" предполагается проводить в два этапа:

- "холодных" (без плазмы) тренировочных сеансов и

- полномасштабных "горячих" (с инжекцией плазмы) экспериментов.

Если начальное формирование состава приемной УКВ-сети пойдет достаточно быстро, проведение “холодных” экспериментов технически возможно уже в текущем году на МКС.

При успешном выполнении "холодного" тренировочного этапа и достаточном количестве участников, можно будет принять обоснованное решение о проведении серии полномасштабных "горячих" экспериментов на МКС.

Что делать, если Вы решили участвовать

Если Вы решили участвовать в этом проекте, который обещает интересное международное сотрудничество, следует поступить так:

1) сообщите о Вашем решении по адресу  в ЦСОНИ и укажите краткие сведения о себе: позывной, имя, Ваши географические координаты (QTH), располагаемое радиолюбительское оборудование и его основные характеристики, Ваши предложения о времени проведения сеансов (дневное или ночное, выходные и т.п.);

Пожалуйста, не откладывайте это дело, т.к. Ваше сообщение может повлиять на принятие решения о проведении КЭ, как одно из доказательств, что приемная радиолюбительская мозаика действительно может быть сформирована и работоспособна

2) ознакомьтесь с методикой генерации зондирующего сигнала, измерений, сбора и обработки информации;

3) следите за оперативным региональным оповещением;

4) примите участие в проведении сеансов "холодных" и "горячих" экспериментов, следуя согласованной Инструкции для оператора измерительной УКВ-сети;

Росавиакосмос намерен наградить каждого участника КЭ "Тень" памятным почетным дипломом.

Персонал

ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В КОМАНДУ ПРОЕКТА "ТЕНЬ"!

Давайте сделаем эту работу вместе!