Космический плазменный эксперимент "Тень" - Часто задаваемые вопросы

Информация с сайта ЦНИИМАШ

English page here >>

Какое радиолюбительское оборудование имеется на борту МКС?

Номенклатура и основные технические характеристики бортового радиолюбительского оборудования, размещаемого на МКС, представлены в публикации: Самбуров С.Н., "На борту международной космической:", Радио, 2001, № 4, с. 59, и на Web-страницах ARISS и AMSAT - общественных организаций радиолюбительской спутниковой связи и поддержки радиолюбительской деятельности на МКС. Ниже приведены выдержки по антенной системе из указанной выше публикации.

Четыре штатных УКВ и КВ антенны установлены на Служебном модуле по полетному заданию 3-ей экспедиции на МКС, как показано на рисунке:

Антенны расположены на цилиндрической поверхности служебного модуля под углом 90 градусов друг к другу. Каждая из четырех установленных антенных систем имеет логопериодическую антенну на диапазон 1:2,5 Ггц и штыревую КВ или УКВ антенну, подключенные к диплексеру, как показано на рисунке

На плате с одной стороны установлена СВЧ антенна (логопериодическая, закрыта защитным колпаком), а по центру - УКВ или КВ антенна (показан только элемент крепления штыря) и "прищепка" для крепления к поручню на поверхности служебного модуля. Под платой находится диплексер.

Три антенные системы одинаковые (СВЧ антенна и антенна на диапазон 144 и 432 МГц), а четвертая отличается тем, что вместо УКВ антенны установлена антенна на диапазон 10 м. Внешний вид антенной системы показан на рисунке

Подробную информацию об этом вы найдете на домашней странице ARISS и по адресу http://sarex.gsfc.nasa.gov/~ariss/Netherlands00/Attachment%2020_files/v3_document.htm.

Имеющегося радиолюбительского оборудования вполне достаточно для проведения "холодных" (без инжекции плазмы) экспериментов прямо сейчас.

Какая требуется радиоаппаратура?

В общем случае любая пакетная радиостанция, которая у вас уже имеется. Фактически вам нужен только  коротковолновый приемник, чтобы присоединиться к эксперименту. Антенна и, вообще, проблема, как уравнять чувствительность наземной сети, будет предметом дальнейшего обсуждения. Подойдет самая простая вертикальная штыревая антенна.

Зачем нужны "холодные" эксперименты?

КЭ "Тень" предполагается проводить в два этапа:

• "холодных" (без плазмы) тренировочных сеансов и

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

Цель "холодного" этапа состоит в том, чтобы уточнить все методологические процедуры и проверить готовность приемной сети. Кроме того, можно получить опорные данные по реальной диаграмме направленности антенны бортового маяка для "горячей" стадии. При выполнении "холодных" сеансов представляется интересным понаблюдать тень от "Шаттла" или от "Прогресса" в процессе и после его стыковки с МКС.

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 международной космической станции.

Почему расчетные тени на рисунке 2 имеют такую странную форму?

Потому, что зондирующие сигналы различных частот рассеиваются в различных частях плазменной струи. Чем выше частота, тем больше должна быть плотность плазмы, чтобы сигнал рассеялся и, соответственно, тем глубже он проникает в плазменную струю, т.к. плотность в ней наибольшая у выхода из источника и резко спадает к периферии.

В плазменной выхлопной струе, свободно истекающей в космосе, можно выделить по крайней мере две зоны расширения в зависимости от преобладающих механизмов и степени взаимодействия инжектированного вещества с главными динамическими факторами космического полета, а именно с магнитным полем Земли и с окружающей средой.

Внутренняя зона соответствует невозмущенному инерционному расширению относительно плотного ядра плазменного потока на выходе из источника, где плотность и давление плазмы намного больше, чем плотность окружающей среды и магнитное давление. Другими словами, испускаемая плазма в этой зоне не "чувствует" ни магнитное поле, ни окружающую среду. В этой зоне плазма расширяется почти как обычный газ в пустоту, т.е. в виде относительно узкого осесимметричного конуса, который рассеивает высокочастотное излучение (в нашем прогнозе 2400 МГц) так, что граница образующейся на поверхности Земли радиотени почти круговая.

Внешняя зона расширения потока соответствует условию, когда магнитное давление уже превышает давление плазмы, поэтому ее расширение поперек магнитного поля затруднено. Так уж устроено в природе, что плазма, т.е. смесь равного количества ионов и электронов может свободно перемещаться вдоль силовых линий магнитного поля и очень неохотно поперек.

В результате этого эффекта плазменный факел приобретает форму трехмерного "лепестка", вытянутого вдоль силовых линий магнитного поля Земли. В этой зоне рассеиваются сигналы менее высоких частот (в нашем прогнозе 144 МГц) и область образующейся на поверхности Земли радиотени тоже должна быть вытянута вдоль магнитного меридиана.

Однако, рисунок 2 - это только прогноз, а как это будет выглядеть на самом деле можно узнать, если мы сделаем эту работу вместе.

Заметьте, что ожидаемый эффект радиотени имеет континентальный масштаб, поэтому желательно сформировать "мерные" поля также континентального масштаба, чтобы увидеть всю картину рассеяния радиоволн целиком в различных условиях.

Как будет выглядеть запись сеанса эксперимента ? Что делать с записью сеанса эксперимента?

Это зависит от метода генерации зондирующих сигналов, который будет выбран после надлежащего обсуждения. Один такой метод был предложен и продемонстрирован Вячеславом Батухтиным (RV3DGA). Он предложил передавать зондирующий сигнал (бортовой маяк) как непрерывную последовательность пакетов минимальной продолжительности и простого формата, скажем, следующим образом:

RS0ISS, 12.23.45, 06.12.02.

Любой наземный оператор начнет делать запись бортового маяка (log-file) в данном сеансе эксперимента, как только МКС появится на местном радиогоризонте. Каждый сеанс должен продолжаться 6-8 мин., пока станция проходит между двумя оппозитными точками местного радиогоризонта. Таким образом, запись сеанса эксперимента может выглядеть так:

RS0ISS, 12.23.45, 06.12.02.

RS0ISS, 12.23.47, 06.12.02.

RS0ISS, 12.23.50, 06.12.02. и т.д., если маяк излучает сигнал каждые 1 - 3 с.

....................................................

RS0ISS, 12.25.45, 06.12.02.

RS0ISS, 12.25.48, 06.12.02.

RS0ISS, 12.25.50, 06.12.02.

RS0ISS, 12.26.46, 06.12.02.

RS0ISS, 12.26.47, 06.12.02.

RS0ISS, 12.26.49, 06.12.02.

:::::::::::::::::::

RS0ISS, 12.27.29, 06.12.02.

RS0ISS, 12.27.31, 06.12.02.

RS0ISS, 12.27.32, 06.12.02. и т.д., если маяк излучает сигнал каждые 1 - 3 с.

В приведенной примерной записи бортового маяка обнаруживается теневой промежуток (56 секунд, а не 1 - 3 секунды) между 12.25.50, когда наблюдается отсечка сигнала, и 12.26.46, когда сигнал появляется снова. В общем случае этот промежуток не может быть заметно дольше, чем две минуты. Так что эта пара 12.25.50 и 12.26.46 вместе с добавляемым QTH составляет содержание сообщения, которое наземный оператор должен послать через Интернет (или любым другим способом) в адрес Центра сбора и обработки научной информации.

Если в записи бортового маяка не обнаруживается заметного теневого промежутка времени, то это также важное наблюдение.

Вы видите, что задача каждого наземного оператора чрезвычайно проста и легко выполнима так, что даже школьники с минимальной радиолюбительской подготовкой могли бы принять участие в эксперименте. К тому же, при минимальной внимательности практически невозможно ошибиться.

Имея много таких сообщений можно заполнить следующую таблицу (позывные выбраны произвольно, только для примера):

Из таблицы следует, что в момент 12.25.50 RW3XR, RK3DKE и RA3SI одновременно "сидели" где-то на передней границе радиотени, в то время как RV6LRJ, RZ6AVM и RA6FNR одновременно "сидели" где-то на задней границе радиотени. Таким образом, мы можем нанести эти шесть точек и многие другие (чем больше, тем лучше) с меткой времени 12.25.50 из таблицы на карту и провести по ним кривую. В результате мы получим мгновенный экспериментальный контур радиотени на момент 12.25.50. Этот кадр наблюдения закончен.

Далее, зная положение станции в момент 12.25.50 на орбите, мы воспользуемся имеющейся теорией и вычислительными инструментами, чтобы рассчитать и нанести на ту же самую карту теоретический контур радиотени на тот же самый момент 12.25.50 и затем сравнить два контура, чтобы выяснить насколько точна теория.

Таким образом, экспериментальная проверка имеющейся теории и вычислительных инструментов для расчета расширения искусственной плазмы в космосе и рассеяния в ней радиоизлучения, является научной целью проекта "Тень".

Другие люди из, скажем, из NASA или ESA, с другими вычислительными инструментами могут сделать их собственные расчеты и сравнения с теми же самыми целями, потому что любая теория - это только приближение, которое нуждается в экспериментальной проверке.

В каждом сеансе эксперимента продолжительностью 6-8 минут, мы можем получить несколько таких карт для нескольких различных моментов и увидеть., как мгновенный экспериментальный контур радиотени изменяется при перемещении станции по орбите, опять же в сравнении с теорией. Это может выглядеть как мультфильм.

Конечно общие результаты проекта "Тень", если их удастся получить, будут опубликованы, как мы это сделали после наших экспериментов 1987 года, см. B.S.Borisov, V.I.Garkusha, N.V.Kozyrev, A.G.Korsun, L.Yu. Sokolov, V.A.Strashinski. The Influence of Electric Thruster Plasma Plume on Downlink Communication in Space Experiments. AIAA paper 91-2349