МОНИТОРИНГ ГРОЗОВЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ВСПЫШЕК И СВЯЗАННЫХ С НИМИ ЯВЛЕНИЙ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ С ПОМОЩЬЮ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

© С.И.Ренский, А.Х.Забродский, В.В.Сурков, К.С.Мозгов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Симпозиум
2018 г.

Мониторинг высокоэнергетических всплесков электромагнитного излучения природного и антропогенного происхождения (молнии, метеоры, взрывы, наблюдаемые в оптическом, микроволновом и радиодиапазонах) и влияние их на околоземное космическое пространство, а также мониторинг результатов воздействия мощных электромагнитных импульсов на околоземное космическое пространство (ОКП) является важной и актуальной задачей, решение которой позволит получить данные для прогнозирования развития геофизической обстановки. Распределение высокоэнергетических источников излучения преимущественно в атмосфере, а также на земной поверхности носят глобальный характер и могут регистрироваться в широком спектральном диапазоне от низкочастотных волн до оптического излучения.

Для получения необходимой информации о пространственном и временном распределении вспышек, а также их энергетических параметров целесообразно создать группировку КА построенных по схеме «КА-прибор», включающий комплекс аппаратуры с каналами измерения магнитных и электрических полей, а также прибор регистрации линейного и сплошного спектров оптического излучения. Масса комплекса – в пределах 5-7кг, следовательно, КА будут малыми в пределах 25-30 кг. Важнейшим каналом комплекса является оптический, поэтому в качестве датчиков оптического излучения разрабатывается прибор с матрицей фотодиодов и узкополосными фильтрами, выделяющими систему информативных спектральных линий атомов и молекул атмосферы в видимом спектре вспышки молнии, а также с широкополосными фильтрами для определения коррелированной цветовой температуры световой вспышки. Параметры молниевых процессов обуславливают необходимость обеспечения временного разрешения аппаратуры порядка единиц микросекунд. Задача выделения оптических вспышек на фоне отраженного от Земли и облаков солнечного света при ограниченности динамического диапазона фотоприёмников и устройств оптико-электронного преобразования приводит к необходимости применения матриц фотоприёмных устройств, каждое из которых имеет поле зрения, сопоставимое с размером оптической вспышки. Уменьшение поля зрения, приходящегося на элемент матрицы, снижает вклад фоновой составляющей в суммарный оптический сигнал, что позволяет эффективнее использовать динамический диапазон фотоприемника, а также уменьшить вклад шума фоновой составляющей в суммарный электрический сигнал.

Представляется важным, наряду с обработкой сигналов на борту, производить запись и передачу на Землю максимально полной первичной информации с бортовых датчиков космических аппаратов до фильтрации на борту (с максимальным использованием пропускной способности средств связи космического аппарата), так как это позволит использовать полученную уникальную информацию в дальнейших разработках при совершенствовании методов анализа сигналов и соответствующих приборов.

Для глобального мониторинга вспышек молний и других высокоэнергичных источников при ограниченном поле зрения фотоприёмных устройств целесообразно применять группировки спутников-приборов, распределённых на низкой околоземной орбите в меридиональных плоскостях и объединённых в сеть с гибкой архитектурой и возможностью изменения количества активных космических аппаратов с соответствующим перераспределением нагрузки и задач.

Среди аргументов в пользу таких группировок указываются живучесть, низкая стоимость при серийном производстве и унификации базовых компонентов платформы малых космических аппаратов, систем связи и вычислительных систем, возможность применения менее стойких и более дешевых электронных и оптических компонентов, связанная с относительно низкой радиацией на орбитах в сотни километров над Землей и непродолжительным сроком эксплуатации отдельного космического аппарата. Живучесть системы спутников обеспечивается способностью при определенных условиях выполнять задачу в случае частичного или полного выхода из строя нескольких космических аппаратов группировки, в которой работает гибкое распределение задач и нагрузки.