КА «Ломоносов» - год на орбите

Космический аппарат «Ломоносов» - очередной космический проект МГУ им. М.В. Ломоносова, с помощью которого возможно проводить широкий спектр актуальных экспериментов для современной фундаментальной космической физики и астрофизики. Для решения поставленных задач был создан уникальный комплекс научной аппаратуры (КНА), отвечающий всем современным требованиям. Головным предприятием по созданию такого комплекса от МГУ выступил Научно-исследовательский институт ядерной физики им. М.В. Скобельцына (НИИЯФ МГУ) с привлечением ряда российских и иностранных коллективов ученых и инженеров.

Перед головным предприятием по созданию КА «Ломоносов» - АО «Корпорация «ВНИИЭМ», стояла задача разработать такую космическую платформу для размещения полезной нагрузки КА (состава научных приборов), которая позволяла бы изменять ее параметры в значительных пределах при необходимости решения новых научных задач, которые будут возникать в будущем. Для решения данной задачи были максимально учтены передовые технические решения и опыт создания КА «Канопус-В» №1, который был создан во ВНИИЭМ для оперативного мониторинга чрезвычайных ситуаций. Этот КА был запущен на орбиту в 2012 году и с тех пор успешно применяется по целевому назначению.

Таким образом, конструктивно КА «Ломоносов» состоит из двух составных частей: комплекса научной аппаратуры и служебной платформы, за основу которой взята космическая (служебная) платформа «Канопус-В».

Создание и успешная работа КА «Ломоносов» служит ярким примером плодотворного сотрудничества науки (МГУ имени М.В. Ломоносова) и промышленности (АО «Корпорация «ВНИИЭМ»). Данный проект отражает современную тенденцию совмещения научных исследований и образовательного процесса с возможностью непосредственного участия ученых, преподавателей и студентов в практической проверке их научных идей и достижений на основе сотрудничества с передовым коллективом высококвалифицированных инженеров – специалистов в области разработки космической техники.

	Космический аппарат, запущенный 28 апреля 2016 г. с нового российского космодрома «Восточный», уже в течение года работает на орбите под управлением ЦУП КА «Ломоносов», созданного на базе АО «Корпорация «ВНИИЭМ».
Центр управления КА «Ломоносов»

За этот период специалисты ЦУП обеспечили надежное управление и функционирование КА путем ежедневного решения задач баллистико-навигационного, командно-программного и информационно-телеметрического обеспечения летных испытаний и штатной эксплуатации КА.

Ежедневно осуществляется заказ средств для проведения сеансов управления (к настоящему моменту проведено более 2000 сеансов). Запланировано и проведено 512 сбросов научной информации на средства наземного научного комплекса. Ежедневно и круглосуточно по телеметрической информации, принимаемой с КА в процессе сеанса управления, осуществляется контроль функционирования служебной платформы и комплекса научной аппаратуры.

Две наземные станции приема научной информации получили около 900 пакетов сброса научной информации. Общий объём полученной информации уже составил более 600 Гбайт.

Разработчики и постановщики экспериментов из Московского университета со своими коллегами из других организаций в качестве основных научных целей проекта выбрали амбициозные научные задачи по изучению экстремальных явлений в нашей Вселенной. Все они – предмет интенсивных научных исследований и образовательного процесса в Московском университете.

Среди этих задач наиболее приоритетными являются:

• исследования космических лучей предельно высоких энергий (КЛПВЭ), состоящих из заряженных частиц с энергией более 10¹⁹ эВ;
• исследования гамма-всплесков – явлений в ранней Вселенной, связанных с наиболее мощным высвобождением энергии в астрофизических процессах;
• изучение природы воздействия энергичных частиц в околоземном космическом пространстве на земную атмосферу.

Кроме того, на борту спутника разработчики установили оригинальный прибор, позволяющий смоделировать коррекцию зрительного аппарата человека в экстремальных условиях космоса – практической отсутствии гравитации.

В течение последних месяцев участники проекта проводили интенсивное тестирование научной аппаратуры и оптимизировали программные режимы их работы.

К настоящему времени испытания аппаратуры практически закончились, и специалисты приступили к плановым исследованиям по разработанной научной программе. Тем не менее, уже первые месяцы работы спутника принесли интересные и значимые научные результаты, которые станут основой для планирования будущих экспериментов на этом спутнике.

Для реализации основных научных задач на КА «Ломоносов» установлено несколько приборов – детекторов для регистрации космических частиц и излучений, созданных учеными МГУ вместе со студентами, аспирантами и преподавателями из нескольких подразделений университета: НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, Физического факультета, Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, НИИ механики, Механико-математического факультета и Института математических исследований сложных систем. Именно сотрудники этих организаций и были инициаторами и головными разработчиками всего комплекса научной аппаратуры спутника. Вместе с российскими работали коллективы из зарубежных университетов. Среди них: Университеты Южной Кореи и Университет Калифорнии в Лос-Анжелесе.

КА «Ломоносов» на космодроме «Восточный»

В данной статье представлены основные результаты первого года работы КА «Ломоносов».

Исследования космических лучей предельно-высоких энергий и транзиентных световых явлений в верхней атмосфере Земли

Орбитальный телескоп ТУС (Трековая УСтановка) на КА «Ломоносов» является первым в мире инструментом, предназначенным для регистрации КЛПВЭ в атмосфере Земли с борта космического аппарата. ТУС регистрирует в атмосфере Земли «следы» космических частиц – их быстрые ультрафиолетовые (УФ) вспышки, возникающие при взаимодействии каскада вторичных частиц от КЛПВЭ атомами воздуха на высотах в десятки километров. Актуальность изучения КЛПВЭ, самых высокоэнергичных заряженных частиц во Вселенной, связана с тем, что специалистами пока не в полной мере выяснена сама природа этих удивительных частиц. Дело в том, что еще 50 лет назад известные физики Кеннет Грейзен, Г.Т. Зацепин¹ и В.А. Кузьмин теоретически предсказали, что эти частицы, зарождаясь вне пределов нашей Галактики, не могут достичь нашей планеты вследствие так называемого эффекта уменьшения их потока (ГЗК – обрезание) на реликтовом фоне – фотонном излучении Вселенной, образовавшемся после Большого взрыва. Наземные установки по изучению космических лучей несколько лет назад действительно зарегистрировали похожее на ГЗК – эффект уменьшения интенсивности таких частиц. Но в силу очень малой статистики событий, - так, при энергии 10¹⁹ эВ на Землю «падает» 1 частица на 1 кв. км в год, ученым пока не удается сделать окончательный вывод о том, является ли наблюдаемый эффект действительно ГЗК–обрезанием. Вполне возможно, и это – предмет научных дискуссий сегодня, может оказаться, что просто во Вселенной нет астрофизических объектов, способных ускорить частицы до столь гигантских энергий.

По сути, орбитальный телескоп ТУС на КА «Ломоносов» использует атмосферу нашей планеты в качестве гигантской мишени, в которой происходит процесс взаимодействия КЛПВЭ.

Кроме выполнения задачи поиска космических частиц, направленный в надир телескоп ТУС на космическом аппарате способен фиксировать и другие разнообразные быстрые атмосферные явления, проявляющиеся в УФ излучении. Среди них как широко известные молниевые разряды, так и мало изученные до сих пор так называемые транзиентные световые явления (спрайты, эльфы, синие струи, гигантские джеты и пр.).

Интерес исследователей к явлениям такого типа в нашей атмосфере возник сравнительно недавно, лет 25 назад, когда были зарегистрированы в верхних слоях атмосферы (на высотах в десятки километров) вспышки света в ультрафиолете, напоминающие молниевые разряды. Среди основных гипотез их происхождения – модели, основанные на генерации разрядных процессов в воздухе, связанные с инжекцией из грозовых областей в приземных слоях атмосферы лавин убегающих электронов, распространяющихся вверх вдоль магнитных силовых линий. Однако в ходе предыдущих экспериментов в космосе (на спутниках «Татьяна» и «Татьяна-2» и «Вернов») было показано, что далеко не все ультрафиолетовые транзиенты «генетически» связаны с грозовыми областями. Возможны и другие механизмы возбуждения этих вспышек.

Уже первые измерения на КА «Ломоносов» в тестовом режиме позволили накопить достаточно большой объем информации как по атмосферным явлениям, так и по работе самого прибора на борту спутника.

В одном из режимов работы телескопа ТУС удалось зарегистрировать мощные УФ-вспышки в атмосфере Земли продолжительностью от нескольких единиц до ста миллисекунд.

Подобного рода ультрафиолетовые вспышки в атмосфере Земли, являясь, с одной стороны, нежелательным «фоном» при выполнении основной задачи телескопа ТУС - регистрации КЛПВЭ, но, с другой стороны, представляют отдельную актуальную физическую цель проводимого эксперимента с телескопом ТУС - выяснение физической природы этих транзиентов.

Что касается основной цели установки ТУС – поиска КЛПВЭ, на сегодня можно сказать, что среди множества фоновых явлений экспериментаторам удалось обнаружить несколько кандидатов таких событий. Если подтвердится, что это - КЛПВЭ, то эти измерения станут первыми в мире космическими измерениями этих загадочных частиц.

Орбитальный телескоп ТУС во время испытаний на космодроме «Восточный»

Исследования астрофизических гамма-всплесков

При гамма-всплесках космического происхождения выделяется огромная энергия — свыше 10⁵³ эрг/с. Это примерно столько же, сколько при взрыве сверхновой звезды, но за одну секунду. Природа гамма-всплесков (наряду с ускорением КЛПВЭ) остается одной из загадок современной астрофизики. Считается, что их источники находятся на очень далеких так называемых космологических расстояниях и связаны с коллапсом массивных звезд. Для понимания природы гамма-всплесков очень важны одновременные наблюдения в оптическом и гамма-диапазонах. До сих пор удавалось зарегистрировать в основном лишь оптическое «послесвечение», то есть отклик межзвездной среды на проходящую через нее ударную волну, возникающую во время космического взрыва. «Поймать» оптическое излучение непосредственно в момент самого гамма-всплеска необычайно трудно, поскольку заранее неизвестно, из какой области Вселенной придет сигнал.

КА «Ломоносов» — первая российская многоволновая обсерватория, способная регистрировать излучение объектов от гамма-диапазона до оптического. Для этого на спутнике установлены приборы, позволяющие измерять эмиссию излучений этих необычных явлений в широком диапазоне длин волн.

Прежде всего, это гамма-спектрометр БДРГ (Блок Детекторов Рентген-Гамма), обеспечивающий регистрацию гамма-излучения с высоким временным разрешением и чувствительностью. При этом БДРГ выдает специальный триггерный сигнал на оптические широкопольные мини-телескопы ШОК (Широкопольные Оптические Камеры), по которому осуществляется запоминание оптического изображения области неба, где произошел всплеск. Кроме того, этот прибор позволяет определять местоположение на небе источника гамма-всплеска и оперативно передавать информацию в мировую сеть для наведения на эту область наземных телескопов.

Блоки БДРГ	Внешний вид приборов ШОК

На сегодняшний день с помощью БДРГ зарегистрировано девять космических гамма-всплесков космологической природы, а также пять гамма-всплесков от магнитара SGR (Soft Gamma Repeter)1935+2154 — быстро вращающейся нейтронной звезды с очень сильным магнитным полем (порядка 1015 Гс). Особый интерес представляет собой всплеск GRB160802, временной профиль которого показан на рис.1. Для этого всплеска характерно наличие нескольких пиков на временном профиле, которые могут быть обусловлены сталкивающимися релятивистскими оболочками, возникшими во время взрыва. Все эти события вошли в реестр мирового каталога, созданного NASA.

Рис. 1. Временной профиль всплеска GRB160802

Исследования магнитосферных частиц

Заряженные частицы, захваченные в магнитную ловушку в околоземном пространстве (радиационные пояса), могут покидать её (так называемый процесс их «высыпания») в результате ряда физических процессов, природа которых недостаточно исследована.

Высыпание частиц из зоны устойчивого захвата в магнитной ловушке Земли может происходить под воздействием различных физических механизмов. Но в качестве доминирующего рассматривается взаимодействие электромагнитных волн в околоземном пространстве и заряженных частиц. Волны могут быть как техногенного (наземные радиопередатчики), так и естественного (развитие плазменных неустойчивостей) происхождения.

Высыпающиеся частицы (в основном электроны) могут достигать релятивистских энергий, и их воздействие на атмосферу путем ионизации может иметь существенные последствия для изменения её свойств.

В связи с этим направлением исследований, следует упомянуть о начале совместных экспериментов по наблюдениям высыпаний электронов из радиационных поясов Земли на КА «Ломоносов» и в серии аэростатных экспериментов BARREL (Ballon Array for RBSP Relativistic Electron Losses).

Международная коллаборация BARREL проводила запуск аэростатов в авроральных широтах (в настоящее время из Кируны в Швеции). Идея совместных c космическим аппаратом экспериментов заключается в измерении характеристик высыпающихся частиц одновременно на больших и малых высотах.

Измерения заряженных частиц на КА «Ломоносов» проводятся с помощью трех приборов: БДРГ, ДЭПРОН (Дозиметр Электронов, ПРОтонов, Нейтронов) и ELFIN-L (Electron Loss and Fields INvestigator for Lomonosov), охватывающих широкий диапазон энергий частиц радиационных поясов Земли, их спектральные и угловые характеристики высоким временным разрешением — от миллисекунд и более. В ходе совместных экспериментов BARREL и КА «Ломоносов» уже получены уникальные данные о тонкой временной структуре потоков высыпающихся электронов, которые могут пролить свет на выяснение природы этого уникального явления в ближнем космосе.

Наряду с решением фундаментальных космофизических задач, один из «радиационных» приборов на спутнике - ДЭПРОН - обеспечивает мониторинг радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве. Благодаря двум полупроводниковым детекторам для регистрации заряженных частиц, а также двум счетчикам медленных нейтронов, это устройство позволяет регистрировать потоки протонов, электронов и нейтронов, а также мощность поглощенной дозы радиации на траектории полета КА «Ломоносов». Наряду с данными других приборов по мониторингу радиационной обстановки, созданных в НИИ ядерной физики МГУ и установленных на других спутниках (низкоорбитальных серии «Метеор» и геостационарном «Электро»), данные с КА «Ломоносов» являются важными элементами в единой системе контроля радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве, созданной в МГУ.

Исследования в области экстремальной космической биологии

Еще один эксперимент, осуществляемый на борту спутника «Ломоносов», также предназначен для изучения экстремальных явлений в космосе, но из области космической биологии и физиологии. Прибор ИМИСС-1 («Институт Математических Исследований Сложных Систем») позволяет регистрировать и анализировать ускорения в условиях орбитального полета спутника.

Основные цели данного исследования связаны с так называемой «болезнью движения в условиях микрогравитации», одним из проявлений которой является запаздывание стабилизации взора человека в условиях космического полета. Бороться с описанным явлением можно путём разработки специального устройства — корректора стабилизации взора. Сигналы корректора предлагается формировать в зависимости от движения головы космонавта по показаниям инерциальных микромеханических датчиков и передавать с помощью гальванической стимуляции на первичные афферентные нейроны его вестибулярного аппарата.

В ходе эксперимента с помощью прибора ИМИСС-1 предстоит выяснить, каким образом изменяются характеристики датчиков в условиях космического полета по сравнению с данными наземных испытаний. В настоящее время идет накопление данных для проведения статистического анализа. Начавшаяся обработка информации предполагает получить данные об инструментальных ошибках микро-акселерометров в орбитальном полёте. Для этого будут использованы значения микроперегрузок для чувствительных масс при наличии данных об орбите и показаний штатных датчиков угловой скорости спутника.

Мониторинг потенциально опасных объектов в околоземном космическом пространстве

Работа оптических камер ШОК, установленных на КА «Ломоносов», помимо основной своей « фундаментальной» задачи, регистрации гамма-всплесков, направлена и на решение важной прикладной задачи: тестирование космического сегмента прообраза глобальной системы мониторинга в космическом пространстве потенциально опасных объектов как техногенного, так и природного происхождения.

Уже на первых витках спутника удалось получить впечатляющие изображения различных объектов, попавших в поле зрения объективов ШОК (рис. 2).

Рис. 2. Стоп- кадры объектов, попавших в поле зрение широкопольных оптических камер ШОК

Важно подчеркнуть, что ШОК на КА «Ломоносов» работают «в линию» с наземной системой роботизированных телескопов «Мастер», созданных в МГУ и расположенных в различных точках нашей планеты как в восточном, так и западном полушариях. В результате этих первых экспериментов с регистрацией объектов в околоземном космическом пространстве показана принципиальная возможность создания бюджетной системы космического мониторинга потенциально опасных объектов в космосе, представляющих потенциальную угрозу как космической, так и наземной инфраструктуре, созданной человеком.

Полет спутника «Ломоносов» продолжается. Созданные в АО «Корпорация «ВНИИЭМ» ЦУП и в НИИЯФ МГУ Центр данных оперативного космического мониторинга получают и обрабатывают информацию со спутника. Члены коллаборации: сотрудники, студенты и аспиранты МГУ вместе со своими коллегами из других организаций анализируют поступающую информацию.

Садовничий Виктор Антонович – Ректор МГУ им. М.В. Ломоносова, академик

Панасюк Михаил Игоревич - Директор НИИЯФ МГУ

Макриденко Леонид Алексеевич – генеральный директор АО «Корпорация «ВНИИЭМ»

Терехов Сергей Иванович - заместитель генерального директора по информационным технологиям АО «Корпорация «ВНИИЭМ»

Статья опубликована в журнале «Российский космос» №4 (136)-2017