"Interball" ( angl. Interball ) - mezinárodní vědecký projekt ke studiu interakce zemské magnetosféry se slunečním větrem , uskutečněný v letech 1995-2000 [1] . V rámci projektu byly vypuštěny čtyři kosmické lodě se dvěma starty : ruský Interball-1 a český Magion-4 zkoumaly vnější oblasti magnetosféry a Interball-2 a Magion-5 polární oblasti vnitřní magnetosféry. a ionosféry . Výsledky získané během projektu do značné míry změnily chápání mechanismu slunečních a pozemských vztahů a jsou nadále využívány světovou vědeckou komunitou [2] .
Hlavní organizací projektu Interball byl Ústav kosmického výzkumu Ruské akademie věd , hlavními účastníky byly vědecké a vzdělávací instituce Rakouska , Bulharska , Velké Británie , Maďarska , Německa , Itálie , Kanady , Kyrgyzstánu , Kuby , Polska , Rumunsko , Slovensko , Ukrajina , Finsko , Francie , Česká republika , Švédsko . Výzkum projektu probíhal v úzké koordinaci s projekty NASA , Evropské vesmírné agentury , Japonské agentury pro výzkum vesmíru [3] .
Myšlenka družicového projektu, který umožňuje jak studovat globální dynamiku magnetosféry, tak podrobně studovat její jednotlivé jevy a struktury, se objevila koncem 70. let [4] při přípravě sovětsko-československého experimentu Intershock byl zahájen v roce 1985 v rámci programu Interkosmos , ve kterém byly provedeny studie jemné struktury rázové vlny v blízkosti Země a magnetopauzy [5] . Nový projekt plánoval provádět simultánně propojené studie v různých oblastech magnetosféry a využívat vícebodová družicová měření, která umožňují rozlišovat mezi časovými a prostorovými variacemi studovaných jevů [6] . Tyto myšlenky bylo možné realizovat v mezinárodním projektu „Interball“ až o deset let později, a to především z finančních důvodů [2] .
Projekt Interball, realizovaný ve spolupráci vědeckých organizací z různých zemí pod generálním dohledem Ústavu kosmického výzkumu Ruské akademie věd , nejen splnil svůj program, ale stal se také důležitou součástí širšího programu pro studium slunečního záření . -pozemní vztahy vedené v 90.-2000. letech 20. století pod koordinací mezinárodní skupiny IACG ( Inter-Agency Consultative Group for Space Science ) [7] a zahrnovaly jak pozemní měření na síti stanic umístěných po celé zeměkouli, tak satelitní pozorování na následující kosmická loď [8] [9] :
Účelem projektu Interball bylo stanovit a studovat vztahy příčiny a následku mezi slunečním větrem a aktivními procesy v magnetotailu [comm. 1] a jevy v jeho polárních ( aurorálních ) oblastech [komunik. 2] . Na těchto spojeních závisí plazmové procesy v blízkozemském prostoru, které generují magnetické bouře , svazky urychlených částic v ionosféře a magnetosféře, polární jevy a emise rádiových vln . Silné poruchy v magnetosféře a ionosféře způsobují rádiové rušení a ovlivňují provoz kosmických lodí, indukují parazitní proudy na dlouhých potrubích a elektrických vedeních , zejména ve vysokých zeměpisných šířkách, a mohou narušit jejich provoz . Předpokládá se vliv magnetosférických procesů na klimatické jevy a biologické objekty [3] .
V průběhu výzkumu prováděného kosmickou lodí projektu Interball byly studovány následující procesy [9] :
Pro provedení výzkumu v rámci projektu byly vypuštěny dvě sondy, z nichž každá zahrnovala dvojici hlavního satelitu a vedlejšího satelitu, které se po startu oddělily a sledovaly jednu oběžnou dráhu v kontrolované vzdálenosti [3] :
Hlavní satelity "Interball-1" a "Interball-2" byly postaveny v NPO. Lavočkin na základě přístrojů řady Prognoz a nesl vědecké vybavení vyrobené v různých zemích účastnících se experimentu. Vybavení těchto družic provádělo hlavní měření v souladu s výzkumným programem [12] . Speciálně pro realizaci projektu Interball vznikla nová modifikace přístrojů řady Prognoz, která dostala tovární označení SO-M2 (Prognoz-M2). S pomocí speciální konstrukční jednotky se počet přístrojů instalovaných na palubě satelitu zdvojnásobil. Byl aktualizován napájecí systém , který zahrnoval radiaci odolné solární panely s prodlouženou životností, kapacitnější baterie a nový automatizační komplex. To zvýšilo očekávanou životnost satelitu ze šesti na deset měsíců na dva až pět let [13] . Pro zvýšení životnosti přístrojů byla poprvé v tuzemské praxi přijata opatření k vyrovnání elektrických potenciálů na jejich povrchu. Elektrické náboje získané různými částmi družice při průchodu radiačními pásy mohou vést nejen k urychlené degradaci solárních panelů, ale také k výskytu výbojů , které vyřadí zařízení z provozu. Na družicích Interball byla aplikována průběžná metalizace jejich povrchu a solárních panelů a také pokrytí exponovaných částí elektricky vodivou barvou [14] . Tato opatření také přispěla ke snížení dopadu družice na rozložení elektrických potenciálů v okolním prostoru, což zvýšilo přesnost experimentů [13] .
Výrazně se zlepšil systém sběru, zpracování a přenosu informací z vědeckých přístrojů. Úkoly projektu vyžadovaly měření slabých magnetických polí, zatímco satelity rodiny Prognoz nebyly „magneticky čisté“, vyžadovalo to spolehlivý systém pro filtrování užitečných signálů magnetometrů instalovaných na satelitech od rušení vytvářeného zařízeními. sami [15] . Kromě páteřního rádiového komplexu (MRK) „Prognozov“, který fungoval v analogovém režimu, byl na zařízeních projektu Interball vyvinutý digitální systém pro sběr vědeckých informací (SSNI), který byl vyvinut v IKI RAS a umožnil oba přenášejí data v reálném čase a zaznamenávají je na magnetické disky pro následné přehrávání během komunikačních relací [16] .
Subsatelity Magion-4 a Magion-5 vytvořené v Ústavu fyziky atmosféry Česká akademie věd nesla menší sadu zařízení pro podobný účel a prováděla měření s nižším rozlišením a v menším objemu. Subsatelity přenášely data v analogové a digitální formě a měly schopnost zapisovat informace do polovodičového paměťového zařízení [17] . Použití dvou družic na každé oběžné dráze, sledujících ve vzdálenosti od sebe a provádějících měření s různým rozlišením, umožnilo určit prostorové a časové variace studovaných jevů [18] .
V souladu s úkoly projektu měla ocasní sonda jako součást družic Interball-1 a Magion-4 překročit oblast neutrální vrstvy [comm. 1] v magnetotailu ve vzdálenosti 70 000–100 000 km od Země a také k provádění měření v oblastech slunečního větru a magnetopauzy na bocích magnetosféry a v denní části. Datum startu Interballu-1 a orientace jeho oběžné dráhy byly zvoleny tak, aby ke zkřížení plazmového plátu docházelo na každé oběžné dráze od poloviny září do poloviny března ročně. Období otáčení ocasních sond bylo zvoleno jako nenásobný celý den, což zajistilo jejich průlet ve všech zeměpisných délkách Země a rovnoměrné pokrytí pozorování blízkozemského prostoru [19] . Převážná část experimentů prováděných na ocasní sondě byla věnována studiu parametrů magnetosférického plazmatu. V první fázi projektu, před vypuštěním polární sondy, byly provedeny společné experimenty s kosmickou lodí Geotail .a Vítr . Byla provedena analýza vývoje subbouře v několika oblastech magnetosféry současně a byly získány nové údaje o mechanismu výskytu subbouří. V magnetotailu, ve vzdálenosti asi 10 poloměrů Země, byl zaznamenán tok částic, který se ve stávajících schématech radiačních pásů neodráží. Změna vlastností blízkozemského média byla zjištěna během injektáže elektronových a plazmových paprsků z orbitální stanice Mir , provedené v okamžicích, kdy byl Interball-1 na stejné linii magnetického pole se stanicí, na dálku 25 000–30 000 km od něj [4] [20] .
Interball-1Na palubě kosmické lodi Interball-1 (Prognoz-11) bylo instalováno šest přístrojů pro studium procesů v blízkozemském plazmatu, šest přístrojů pro studium magnetických a elektrických polí a tři přístroje pro studium kosmického a rentgenového záření . Dále na ni bylo instalováno zařízení pro určování relativní polohy se subsatelitem Magion-4 a sada přístrojů, tradičních pro družice řady Prognoz , pro měření radiační situace v blízkozemském prostoru [9] . Se stanoveným obdobím práce dva roky fungoval Interball-1 a přenášel vědecká data více než pět let, až do deorbitace v říjnu 2000 [18] .
Magion-4Vědecké vybavení subsatelitu Magion-4 zahrnovalo čtyři přístroje pro studium elektrických a magnetických vln a polí, tři přístroje pro studium plazmových procesů, vysokoenergetický detektor částic a rentgenový fotometr [21] . Subsatelit Magion-4 fungoval asi dva roky, než selhaly baterie . Poté zařízení nějakou dobu pracovalo s napájením pouze ze solárních panelů , ale kvůli zkratu v baterii kleslo napětí na jeho desce pod povolené minimum. Poslední plnohodnotné komunikační sezení s Magionem-4 proběhlo v září 1997, od února 1998 byla práce s ním zcela zastavena. Během této doby bylo na Magionu-4 provedeno velké množství společných experimentů s Interball-1 [14] .
Dráha satelitů polární sondy jim zajistila dlouhý pobyt ve výšce 12 000–19 000 km v oblasti polárního hrotu [comm. 3] - trychtýř tvořený siločárami magnetického pole Země nad severním magnetickým pólem , kudy mohou volně pronikat částice slunečního větru [22] . Pomocí přístrojů polární sondy propojení lokálních jevů v polární oblasti s procesy v ohonu, kde se nachází „spouštěcí mechanismus“ magnetických bouří a dalších rozsáhlých procesů v magnetosféře [23] . Datum a čas startu polární sondy byly zvoleny tak, aby se její sonda poměrně často nacházela v magneticky konjugovaných bodech (na stejné siločáry magnetického pole Země) s ocasní sondou. Doba oběhu, stejně jako u ocasní sondy, byla zvolena pro zajištění průchodu přes všechny délky Země [19] . Hlavní pozornost byla věnována studiu elektrických a magnetických vln a polí. Samostatnými úkoly polární sondy byla optická pozorování polárních jevů v různých vzdálenostech a studium rádiové emise polárních kilometrů, vznikající v subpolární zóně ve výšce jednoho až tří poloměrů Země. Společné experimenty byly provedeny s norským topným stojanem EISCATbyl studován vliv vysokovýkonného vysokofrekvenčního záření ze stojanu na procesy v magnetosférickém plazmatu [20] .
Interball-2Na Interball-2 byly instalovány tři přístroje pro studium polárního plazmatu, tři pro vysokoteplotní (tepelné) plazma, čtyři přístroje pro záznam a studium vln VLF , třísložkový magnetometr , zařízení pro detekci a studium vysokoenergetických toků (Prognoz -12) elektrony , prostředek k pozorování polárních září v ultrafialové oblasti a měření jejich spektra v emisních čarách kyslíku . Také během letu zařízení byla prováděna dozimetrická měření a experimenty pro porovnání různých typů solárních panelů.
"Interball-2" pracoval v nejtěžších radiačních podmínkách, polovinu času strávil v nejobtížnějších oblastech radiačních pásů Země, takže byla přijata další opatření k zajištění spolehlivosti zařízení. Do vybavení satelitu byl zařazen generátor iontového svazku , který umožňoval řídit jeho elektrický potenciál [23] . Kromě páteřního rádiového komplexu a digitálního systému pro sběr vědeckých informací byl instalován analogově-digitální systém technické podpory STO-PA, přenášející širokopásmové informace z některých přístrojů v reálném čase [13] .
Hned v prvních dnech letu Interball-2 byla zjištěna nestabilita jeho polohy způsobená jak poruchami vznikajícími na nízké oběžné dráze vůči ostatním Prognozům , tak chybami ve výpočtu dynamiky zařízení. Okamžitě bylo navrženo a implementováno schéma s tlumením poruch pulzy motorů řízení polohy, což však vedlo ke zrychlené spotřebě rezerv pracovní tekutiny. Po roce a půl letu Interball-2 došlo k odtlakování přístroje s porušením síto-vakuové izolace a teplota na palubě začala stoupat. Obecně aparát zůstal funkční, ale některé vědecké přístroje a systém STO-PA musely být vypnuty. Koncem roku 1998 došly zásoby stlačeného plynu používaného v polohových tryskách a bylo nemožné udržet osu aparátu na Slunci, aby bylo zajištěno optimální osvětlení solárních baterií [14] . V tomto stavu Interball-2 pokračoval v provozu a přenášel omezená vědecká data až do konce roku 1999 [24] .
Magion-5Složení komplexu vědeckého vybavení Magion-5, designově podobné subsatelitu Magion-4, zahrnovalo tři přístroje pro studium VLF vln a polí, dva třísložkové magnetometry s různými limity měření, detektor proudění plazmatu a parametr studeného plazmatu. metr, dva přístroje pro měření energetických spekter nabitých částic, dvoukanálová videokamera (viditelný a IR rozsah) pro záznam polární záře [25] .
Komunikace se subsatelitem Magion-5 byla ztracena ihned po startu kvůli poruše jeho napájecího systému . Po 20 měsících, v květnu 1998, byla práce Magionu-5 obnovena [26] . Do té doby fungoval pouze Interball-2 jako součást polární sondy. Po odstávce Interball-2 v lednu 2000 pokračoval v provozu subdružice Magion-5 na oběžné dráze polární sondy a přenášel data v plném rozsahu až do poloviny roku 2001, poté v důsledku ukončení dodávek plynu pro pohonného systému, bylo nemožné udržet jeho orientaci ke Slunci a optimální osvětlení solárních panelů. Práce s Magionem-5 byly definitivně ukončeny začátkem roku 2002 [27] [28] .
Možnosti vědeckých přístrojů instalovaných na palubě Interballů a množství dat, které poskytují, výrazně převyšovaly možnosti ukládání a přenosu informací poskytovaných palubními satelitními systémy. Během realizace projektu Interball vytvořil IKI RAS zásadně nový, za letu přeprogramovatelný systém pro sběr vědeckých informací (SSNI), který ukládá informace na pevné disky o celkovém objemu 160 MB . Rychlost reprodukce informací SSRS byla několikanásobně zvýšena ve srovnání se standardním rádiovým spojením satelitu. Během komunikačních relací vedených za letu bylo zjištěno, že i tato rychlost je nedostatečná, přeprogramováním SSNS a pozemních systémů byla dále zvýšena z návrhových 64 kbps na 250 kbps, což byl vynikající ukazatel pro výzkumné družice v těch let. To umožnilo drasticky zkrátit dobu přehrávání informací a zvýšit objem přenášených dat. Na družici Interball-2, která prováděla velké množství vlnových měření, byl kromě SSNI instalován systém STO-AP, který přenášel analogová data těchto měření v širokopásmovém režimu přímého přenosu. Zvýšilo se také množství informací přenášených do kosmické lodi, což umožnilo aktualizovat pracovní programy vědeckých přístrojů a neustále kontrolovat jejich režimy během letu [16] . V průběhu projektu byla většina vědeckých informací, asi 90 %, získána prostřednictvím SSNI a STO-AP. Asi 10 % připadlo na podíl běžného páteřního rádiového komplexu (RTO) zařízení. Zároveň byla ztráta dat přenášených přes SSNI nevýznamná, méně než 0,01 %, zatímco data RTO měla velký počet poruch, pouze polovina informací přenášených přes RTO měla ztrátu menší než 1 % [14] .
Důležitým problémem byla ochrana palubního zařízení před účinky kosmického záření . Tradiční způsoby ochrany - kovové štíty, volba elektronických součástek odolných vůči záření - zcela nevylučovaly možnost poruch způsobených energetickými částicemi. Kromě toho, aby se snížily náklady a urychlil vývoj, byly při výrobě SSNI použity standardní komponenty v průmyslových, nikoli v kosmických a vojenských verzích, což mohlo dále snížit spolehlivost práce. V letovém programu byl zohledněn častý průchod radiačních pásů a některé přístroje, které by v tomto případě mohly být poškozeny, byly dočasně vypnuty. SSNI musela neustále pracovat. Byla implementována softwarová samokontrolní opatření pro detekci a nápravu chyb, které se vyskytují během provozu SSNI [13] . Na družici Interball-2, která strávila zhruba polovinu času v radiačních pásech, byl již během letu palubní procesor SSNI přeprogramován tak, že na něm byly současně prováděny tři stejné programy, které podle výsledků „ hlasování “ detekovalo a opravovalo jednotlivá selhání v paměti buněk [16] .
Pro řízení simultánního letu čtyř satelitů byl vyvinut speciální software. Řízení Interballů a příjem vědeckých informací z nich bylo prováděno pomocí RNII KP z NIP-16 u Evpatoria , vybaveného několika výkonnými anténními systémy. Kontrola subsatelitů Magion a příjem vědeckých informací z nich byly prováděny z české observatoře Panská Ves .[16] .
Interball byl jedním z prvních vesmírných projektů, které implementovaly myšlenku simultánního pozorování pomocí stejných přístrojů instalovaných na různých vozidlech [2] . Provozní doby vozidel účastnících se projektu se ukázaly být různé, ale ve značném časovém intervalu bylo možné získat výsledky měření ze současně pracujících dvojic satelitů. Použití hlavní družice a poddružice pracující ve dvojicích umožnilo zjistit, ke kterým změnám v magnetosféře dochází v průběhu času a které jsou zaznamenány v důsledku pohybu kosmické lodi ve vesmíru [24] . Projekt Interball se stal jedním z nejúspěšnějších sovětských a ruských programů pro průzkum blízkozemského prostoru. Množství dat shromážděných během projektu převyšuje celkové množství dat o fyzice Slunce a Země získaná ve studiích prováděných dříve v SSSR a v Rusku po dobu asi třiceti let. V průběhu projektu byly také identifikovány nedostatky používaných metod, které podnítily další rozvoj multidružicových měření. Zejména měření každou ze sond Interball byla provedena pouze ve dvou bodech, což znemožňovalo sledovat vývoj studovaných procesů v trojrozměrném prostoru. Trojrozměrné pozorování procesů v blízkosti Země poprvé implementovala mise ESA „ Cluster II“, zahájené v roce 2000 v rámci programu pro studium solárně-zemských vztahů IACG a zahrnující čtyři identická zařízení umístěná ve vesmíru ve formě čtyřstěnu [12] [20] , v roce 2007 pokračovalo multisatelitní studium magnetosféry v Program NASA THEMIS [ 6] .
Koncentrovaný archiv programu Interball uložený v IKI RAS obsahuje více než 300 GB vědeckých dat. Informace ze satelitů projektu jsou dostupné mezinárodní vědecké komunitě prostřednictvím celosvětové databáze NASA Goddard Center . Na základě dat projektu Interball bylo publikováno více než 500 článků, z nichž značná část vznikla v rámci mezinárodní spolupráce. Výsledky projektu jsou nadále využívány ve vědecké práci, je jim věnováno několik odborných čísel ruských a mezinárodních vědeckých časopisů z oblasti kosmického výzkumu a fyziky Země . Vědecký výzkum prováděný v rámci projektu Interball pokrývá širokou škálu problémů a zahrnuje geofyzikální úlohy vhodné ke studiu struktury a dynamiky zemské magnetosféry a ionosféry, základní otázky fyziky plazmatu a astrofyziky , vztah procesů na Slunci a v meziplanetárním prostoru. médium s " vesmírným počasím ", ovlivňujícím biosféru a lidskou činností [29] [18] .
Při realizaci projektu Interball byly získány cenné zkušenosti při vytváření kosmických lodí pracujících v napjatém radiačním prostředí a metodách jejich ochrany před účinky energetických nabitých částic [14] . Byly vyvinuty a úspěšně aplikovány softwarové metody pro kompenzaci hardwarových poruch způsobených kosmickým zářením v palubním informačním komplexu [16] . Srovnání standardních solárních panelů a solárních panelů odolných vůči záření, provedené na Interball-2, ukázalo, že stupeň degradace nových panelů během letu byl 20 %, zatímco u standardních panelů došlo k degradaci 70 % [20] .
V pokračování výzkumu solárně-pozemských vztahů pomocí multidružicových systémů byl plánován rusko-ukrajinský projekt „Interball-Prognoz“, který měl zahrnovat skupinu dvou nebo tří světelných družic na sluneční synchronní dráze s výšce asi 600 km a zařízení střední třídy "Interball-3", vybavené vlastním pohonným systémem a pracujícím na vysoké eliptické dráze. "Interball-3" měl provádět měření v meziplanetárním prostředí a vnější magnetosféře a pokračovat ve studiu přirozeného pozadí milimetrového záření , zahájeném v experimentu RELIKT-1 . K vyřešení všech vědeckých problémů pro Interball-3 bylo navrženo komplexní letové schéma s počátečním vypuštěním libračního bodu L1 systému Země-Měsíc na oběžnou dráhu halo pro studium čelního slunečního větru, po kterém se musel přenést na eliptickou dráhu kolem Země s apogeem 350 000 - 400 000 km a studovat procesy v magnetosféře a na konci programu obletět bod L2, nejvhodnější pro měření mikrovlnného záření s nízkou hladinou šumu. Tento projekt nebyl realizován [30] [31] .
Od počátku roku 2000 začala IKI RAS připravovat mezinárodní multidružicový experiment „ Resonance “ ke studiu vnitřní magnetosféry, který zahrnuje současná měření s vysokým rozlišením na čtyřech malých satelitech MKA-FKI , vypuštěných na vysoce eliptické dráhy [32] . Původně byl start družic projektu Resonance plánován na rok 2012 [33] , následně v letech 2017-2018 [34] , později se termíny dále posouvaly, start projektu se předpokládá po roce 2025 [35] .
