Ждущий режим на орбите

Чем космическая погода опасна для спутников и можно ли её предсказать – рассказывает Сергей Медведев, инженер Центра космического мониторинга Арктики Северного (Арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова (САФУ).

— Сергей, какими исследованиями вы занимаетесь?

— Наш Центр космического мониторинга Арктики, который возглавляет мой научный руководитель Роман Александрович Алешко, занимается разными исследованиями: космической погодой, потоками частиц высоких энергий. Не так давно мы запустили космическую миссию с университетским спутником ArcticSat-1. Также мы делаем антенны — одна из них как раз связывает нас с ArcticSat-1, на котором установлен детектор высокоэнергичных частиц ДеКоР-2. Он позволяет улавливать гамма-кванты и электроны с энергией порядка 300 кэВ.

— Для чего нужны такие наблюдения?

— Мы хотим давать рекомендации операторам центров управления полётами: когда лучше отключить часть полезной нагрузки на спутнике, а когда и вовсе обесточить аппарат, чтобы он не вышел из строя.

— А в каких случаях его надо выключать?

— Например, когда наш детектор фиксирует очень большой поток электронов. В такие моменты аппарат лучше перевести в безопасный режим. Бывают солнечные вспышки и огромные всплески потоков энергичных электронов. Проникая в электронику, они выбивают полупроводниковые переходы, а ячейки памяти самопроизвольно переключаются из единицы в ноль. В результате мы начинаем получать некорректные данные или можем вовсе потерять аппарат.

Также в Центре мы много работаем со школьниками и студентами. Ребята занимаются спутникостроением: отрабатывают миссии, собирают конструкторы. Один из результатов совместной деятельности — стратосферный зонд, который уже побывал в стратосфере. Ребята загорелись идеей наблюдений за космической погодой и решили с помощью стратостата посмотреть, как проходят в атмосферу потоки электронов, которые мы регистрируем на низких околоземных орбитах. Стратостат — это шар, наполненный гелием, он поднимается на высоту около 30 километров, в условия, близкие к космическим. Ребята изучили графики, поняли, какие частицы и с какими энергиями приходили на наш спутник, и решили собрать свой прибор.

— Таким образом можно делать предсказания космической погоды?

— Можно сказать и так, но в том конкретном эксперименте мы смотрели уровень радиации и его зависимость от высоты в атмосфере. Нам удалось на практике зафиксировать так называемый максимум Пфотцера — это высота около 15–20 километров, где уровень вторичной радиации от космических лучей достигает пика, а при дальнейшем подъёме начинает снижаться.

Фото Андрея Афанасьева.

— Есть ли у вас какие-то оригинальные разработки?

— Как минимум, тот стратосферный зонд, который ребята полностью собрали сами. Есть и другие оригинальные вещи. Например, мы разрабатываем и создаём собственные антенны для приёма сигналов со спутников, активно используя 3D-печать. Кроме того, в Центре мы занимаемся радиоастрономическими исследованиями: изучаем излучение нейтрального водорода на частоте 1420 МГц — это один из самых мощных инструментов в астрономии для изучения структуры Галактики. Антенну для этих задач мы тоже спроектировали и собрали самостоятельно, с использованием 3D-принтера.

— А с какой целью это делается?

— Главная цель наших антенных комплексов — эффективный приём данных со спутников. Архангельск находится в очень удачном географическом месте для приёма сигнала с аппаратов на полярных орбитах. Это открывает нам возможность связываться с полярными спутниками практически на каждом витке вокруг Земли.

— Вы действительно даёте рекомендации ЦУПу, когда надо выключать аппаратуру на спутнике?

— Цель моей аспирантской работы — изучить архивные данные нашего спутника и создать информационную систему прогнозирования, которая поможет эффективно управлять полётом. Если всё получится, мы сможем распространить эти алгоритмы и на работу других спутников. Когда оператор видит прогноз, что на Солнце произошла вспышка и примерно через 2–3 суток волна дойдёт до Земли, то в момент пролёта через опасные зоны спутник лучше выключить или перевести в ждущий режим. Такую универсальную систему раннего предупреждения мы сейчас и разрабатываем.

Космическая погода бывает крайне разрушительной. Рассмотрим для примера известную потерю партии спутников Starlink Илона Маска. Аппараты вывели на низкую переходную орбиту, где они должны были включить двигатели и подняться выше. Но случилась сильная магнитная буря. Из-за неё атмосфера Земли нагрелась и «разбухла». Спутники столкнулись с возросшим аэродинамическим сопротивлением, начали тормозить и не смогли выйти на рабочую орбиту, сгорев в атмосфере. Это влияние космической погоды на орбитальную механику, но она бьёт ещё и напрямую по электронике.

— Может быть, можно создать такие спутники, которые не надо будет выключать при «плохой погоде»?

— Замечательный вопрос. Конечно, было бы здорово разработать спутники, приспособленные к любым космическим условиям и не требующие выключения. На большие и дорогие космические аппараты ставят тяжёлую свинцовую или алюминиевую защиту. Но наш студенческий спутник сделан из простых коммерческих электронных компонентов. Они ничем не защищены. Зато такой аппарат маленький, лёгкий и дешёвый — благодаря этому университеты вообще имеют возможность отправлять свои приборы в космос. Суть как раз в том, что лучше временно выключить аппарат и потерять часть научных данных, чем допустить фатальный сбой. Радиация, конечно, не заставит спутник физически сойти с орбиты, но из-за радиационного пробоя незащищенная электроника может полностью «сгореть», и тогда аппарат навсегда превратится в мёртвый кусок космического мусора.

Материал подготовлен в рамках пресс-тура в Архангельскую область, организованного проектным офисом «Десятилетие науки и технологий» АНО «Национальные приоритеты».