Solnechno-Zemnaya FizikaSolnechno-Zemnaya FizikaСолнечно-земная физика2712-96401293710.12737/21169Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийOptical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraftОптическое проявление работы бортовых двигателей низкоорбитальных космических аппаратовБелецкийАлександр БорисовичBeletskyAleksandr Borisovichbeletsky@iszf.irk.ru
Институт солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian Federation2812201628122016248591https://zh-szf.ru/en/nauka/article/12937/view
В настоящей работе представлены результаты оптических наблюдений в космическом эксперименте (КЭ) «Радар-Прогресс» 17 апреля 2013 г. и 30 июля 2014. после включения сближающе-корректирующего двигателя (СКД) транспортных грузовых кораблей (ТГК) «Прогресс М-17M» и «Прогресс М-23М» на высотах термосферы. Во время работы СКД зарегистрированы области свечения повышенной интенсивности, предположительно связанные с рассеянием сумеречного солнечного излучения на продуктах работы СКД на орбите ТГК и, возможно, появлением дополнительного свечения в эмиссии атомарного кислорода [OI] 630 нм. Максимальные наблюдаемые размеры области свечения составили ~330-350 км вдоль орбиты и ~250-270 км поперек. Скорость расширения области свечения в первые моменты времени после включения СКД вдоль орбиты составила ~6-7 км/c, поперек ~3-3.5 км/с. Максимальная интенсивность области возмущения в сеансе КЭ с «Прогресс М-17M» оценивается величиной, эквивалентной ~ 40-60 Рл в спектральной полосе 2 нм. В сеансе с «Прогресс М-23М» зарегистрированы незначительные возмущения атмосферной эмиссии [OI] 630.0 нм, как в ближней, так и в дальней зонах от орбиты ТГК, возможно, связанные с инжекцией выхлопных газов СКД.
This paper presents the results of optical observations in Radar-Progress Experiment between April 17, 2013 and July 30, 2014 after switching on the approach-correction engine (ACE) of Progress M-17M and Progress M-23M cargo spacecraft in the thermosphere. A region of enhanced emission intensity was recorded during engine operation. This may have been related to the scatter of twilight solar emission along the cargo spacecraft exhaust and to the emergence of an additional atomic oxygen [OI] 630 nm. The maximum size of emission region, we observed, was ~ 330-350 km and ~ 250-270 km along and across the orbit, respectively. For the first time after the ACE initiation, an expansion rate of emission region was ~7 and ~3.5 km/s along and across the orbit, respectively. Maximum intensity of the disturbance area for Progress M-17M is estimated at ~ 40-60 R at 2 nm. Progress M-23M Space Experiment registered minor disturbance of atmospheric [OI] 630.0 nm emissions, both in the near and in the further cargo spacecraft flight path, which might have been associated with the ACE exhaust gas injection.
ВВЕДЕНИЕОптические эффекты полетов космических аппаратов (КА) и работы их бортовых жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) в зависимости от механизмов, высот и пространственных масштабов проявления разделяют на несколько типов [Адушкин и др., 2000; Платов и др. 2003]. Механизмы воздействия ЖРД на атмосферу и ионосферу Земли, сопровождаемого оптическими эффектами, связывают непосредственно с выбросами в атмосферу продуктов сгорания, содержащих газовые и дисперсные компоненты, рассеянием на них солнечного света [Адушкин и др., 2000], модификацией атмосферы и ионосферы продуктами сгорания ЖРД [Mendillo et al., 1975; Карлов и др., 1980], гидродинамическими возмущениями типа акустико-гравитационных волн [Карлов и др., 1980; Михалев и Ермилов, 1997; Mikhalev, 2011] и др. Большинство оптических эффектов наблюдалось на высотах тропо-стратосферы, когда их яркость относительно высока [Платов и др., 2003].В настоящей работе представлены результаты оптических наблюдений в сеансах активного кос-мического эксперимента (КЭ) «Радар-Прогресс» 17 апреля 2013 г. и 30 июля 2014 г. после включения сближающе-корректирующего двигателя (СКД) транспортного грузового корабля (ТГК) серии «Прогресс-М» на высотах термосферы.АКТИВНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТКосмический эксперимент «Исследование наземными средствами наблюдения отражательных характеристик плазменных неоднородностей, генерируемых в ионосфере при работе бортовых двигателей ТГК "Прогресс"» (шифр «Радар-Прогресс») проводится с 2007 г. До 2010 г. использовался шифр КЭ «Плазма-Прогресс» [Лебедев и др., 2008; Potekhin et al., 2009; Хахинов и др., 2010, 2012, 2013]. Организации-участники: ФГУП «ЦНИИмаш», Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН) и ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева» (РКК «Энергия»).Космический эксперимент «Радар-Прогресс» проводится на этапах автономных полетов ТГК серии «Прогресс» после выполнения основной миссии по доставке грузов на МКС. Сеанс КЭ выполняется во время пролета ТГК в зоне обзора Иркутского радара некогерентного рассеяния (ИРНР) [Khakhinov et al., 2009]. Включается бортовой жидкостный реактивный СКД. Используются наземные уникальные научные установки и оборудование центра коллективного пользования (ЦКП) «Ангара» ИСЗФ СО РАН [http://ckp-angara.iszf.irk.ru/html/history.html].Во время или сразу после сеанса КЭ определяются гелиогеофизические и метеорологические условия: солнечная активность, состояние геомагнитного поля, фоновые параметры ионосферы, условия освещенности (зенитный угол Солнца), облачность.Заранее планируются управляемые условия каждого сеанса КЭ: высота орбиты, направление вектора скорости выхлопных струй, тип и длительность работы ЖРД. Последние определяют массу сжигаемого топлива или количество инжектируемых в ионосферу продуктов сгорания. Используемый СКД сжигает 1 кг жидкого топлива в секунду. При длительности включения СКД до 11 с выхлопные продукты от сгорания 11 кг топлива инжектируются в ионосферу на дуге орбиты ТГК длиной более 80 км. Такие слабые воздействия на ионосферную плазму, сравнимые по мощности с естественными источниками возмущений, и планируемые условия каждого сеанса являются отличительной особенностью проводимого КЭ.
Адушкин В.В., С.И. Козлов, А.В. Петров. Экологические проблемы и риски воздействия ракетно-космической техники на окружающую среду: Справочное пособие. М.: Изд. Анкил, 2000. 638 с.Adushkin V.V., Kozlov S.I., Petrov A.V. Ecological problems and risks of space-rocket hardware effect on environment Moscow: Ankil Publ., 2000. 638 p. (In Russian).Ветчинкин Н.В., Границкий Н.В., Платов Ю.В., Шейчуе А.И. Оптические явления в околоземной среде при работе двигательных установок ракет и спутников. I. Наземные и спутниковые наблюдения искусственных образова-ний при запусках ракет // Косм. иссл. 1993. Т. 31, вып. 1. С. 93-100.Bernhadt P.A, Weber E.J., Moorc J.G., Baumgardner J., Mendillo M. Excitation of oxygen permitted line emissions by SF injection into the F region. J. Geophys. Res. 1986, vol. A91, no. 8, pp. 8937-8946.Карлов В.Д., Козлов С.И., Ткачев Г.Н. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возникающие при полете ракеты с работающим двигателем (обзор) // Косм. иссл. 1980. Т. 18, вып. 2. С. 266-277.Biondi Manfred A., Simpler Dwight P. Studies of equatorial 630 nm airglow enhancements produced by a chemical release in F region. Planet and Space Sci. 1984, vol. 32, no. 12, pp. 1605-1610.Лебедев В.П., Хахинов В.В., Габдуллин Ф.Ф. и др. Исследование методами радиозондирования харак-теристик плазменного окружения низкоорбитальных космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2008. № 50 (1). С. 51-60.Karlov V.D., Kozlov S.I., Tkachev G.N. Large-scale ionospheric disturbances during the rocket flight with working engine (Overview). Kosmicheskie issledovaniya. [Cosmic Researh]. 1980, vol. 18, iss. 2, pp. 266-277. (In Russian).Михалев А.В., Ермилов С.Ю. Наблюдение возмущений эмиссионных ионосферных слоев, возникающих при полете космических систем // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: СО РАН, 1997. Вып. 107. С. 206-217.Khakhinov V.V., Lebedev V.A., Medvedev A.V., Ratovsky K.G. Capabilities of the Irkutsk Incoherent Scat-tering Radar for space debris studies. Proc. 5th European Conf. on Space Debris. ESA SP-672. Darmstadt, Germany, 2009.Михалев А.В., Хахинов В.В., Белецкий А.Б. и др. Оптические эффекты работы бортового двигателя космического аппарата «Прогресс М-17М» на высотах термосферы // Косм. иссл. 2016. Т. 54, № 2. С. 113-118.Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., Shpynev B.G., Zarudnev V.E., Alsatkin S.S., Ratovskii K.G., Podlesnyi A.V., Bryn´ko I.G. Radiophysical methods of diagnostics of ionospheric disturbances generated by cargo spacecraft “Progress” on-board engines: Algorithms, instruments and results. Zhurnal Radio-elektroniki [J. of Radio Electronics]. 2010, pp. 555-571. (In Russian).Платов Ю.В., Куликова Г.Н., Черноус С.А. Классификация газопылевых образований в верхней атмо-сфере, связанных с выбросами продуктов сгорания ракетных двигателей // Косм. иссл. 2003. Т. 41, № 2. С. 168-173.Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Alsatkin S.S., Ratovskii K.G., Kushnarev D.S., Tverdokhlebova E.M., Kurshakov M.Yu., Manzhelei A.I., Timofeeva N.I. Results of remote sounding of ionospheric disturbances during active space experiments “Radar-Progress”. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space]. 2012, vol. 9, no. 3, pp. 199-208. (In Russian).Платов Ю.В., Семенов А.И., Филиппов Б.П. Конденсация продуктов сгорания в выхлопной струе ра-кетных двигателей в верхней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 4. С. 556-562.Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Kushnarev D.S., Alsatkin S.S. Some results of active space experiments “Plasma-Progress” and “Radar-Progress”. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta imeni akademika M.F. Reshetneva. [Bull. of Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshet-nev]. 2013, iss. 5 (51), pp. 160-163. (In Russian).Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Радиофизические методы диагностики ионосферных возмущений, генерируемых бортовыми двигателями ТГК «Прогресс»: алгоритмы, инструменты и результаты // Журнал радиоэлектроники. 2010. С. 555-571.Lebedev V.P., Khakhinov V.V., Gabdullin F.F., Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Laletina E.A., Manzhelei A.I. Studying characteristics of plasma surroundings of low-orbit spacecraft. Kosmonavtika i raketostroenie [Cosmonautics and Rocket Engineering]. 2008, no. 50 (1), pp. 51-60. (In Russian).Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Результаты дистанционного зондирования ионосфер-ных возмущений в активных космических экспериментах «Радар-Прогресс» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 3. С. 199-208.Mendillo M.J., Hawkins G.S., Klobuchar J.A. A sudden vanishing of the ionospheric F region due to the launch of Skaylab. J. Geophys. Res. 1975, vol. 80, no. 16, pp. 2217-2218.Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Некоторые результаты активных космических экспе-риментов «Плазма-Прогресс» и «Радар-Прогресс» // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. Спец. вып. 2013. № 5 (51). С. 160-163.Mendillo M.J. Report on investigations of atmospherique effecte due to HEAO-C launch // AIAA Pap. 1980, no. 888. pp. 1-5.Bernhadt P.A, Weber E.J., Moorc J.G., et al. Excitation of oxygen permitted line emissions by SF injection into the F region // J. Geophys. Res. 1986. V. A91, N 8. P. 8937-8946.Mendillo M., Rote D., Bernhardt P.A. Preliminary report on the HEAO hole in the ionosphere. EOS Trans. Amer. Geopys. Union. 1981, vol. 61, no. 28, pp. 529-530.Biondi Manfred A., Simpler Dwight P. Studies of equatorial 630 nm airglow enhancements produced by a chemiсal release in F region // Planet and Space Sci. 1984. V. 32, N 12. P. 1605-1610.Mendillo M., Baumgardner J. Optical signature of ionospheric hole. Geophys. Res. Lett. 1982, vol. 9, no. 3, pp. 215-218.Khakhinov V.V., Lebedev V.A., Medvedev A.V., Ratovsky K.G. Capabilities of the Irkutsk incoherent scat-tering radar for space debris studies // Proc. 5th European Conf. on Space Debris. ESA SP-672. Darmstadt, Germany, 2009.Mikhalev А.V. Midlatitude airglow during heliogeophysical disturbances. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 7, pp. 974-978.Mendillo M.J., Hawkins G.S., Klobuchar J.A. A sudden vanishing of the ionospheric F region due to the launch of Skaylab // J. Geophys. Res. 1975. V. 80, N 16. P. 2217-2218.Mikhalev A.V., Ermilov S.Yu. Observation of disturbances of ionospheric emission layers during spacecraft flights. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Research on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. Novosibirsk: SB RAS Publ. 1997, iss. 107, pp. 206-217. (In Russian).Mendillo M.J. Report on investigations of atmospherique effecte due to HEAO-C launch // AIAA Pap. 1980, no. 888. pp. 1-5.Mikhalev A.V., Khakhinov V.V., Beletskii A.B., Lebedev V.P. Optical effects of the working onboard engine of the spacecraft “Progress M-17M” at thermosphere heights. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research]. 2016, vol. 54, no. 2, pp. 113-118. (In Russian).Mendillo M., Rote D., Bernhardt P.A. Preliminary report on the HEAO hole in the ionosphere // EOS Trans. Amer. Geophys. Union. 1981. V. 61, N 28. P. 529-530.Platov Yu.V., Kulikova G.N., Chernous S.A. Classification of gasdust formations in the upper atmosphere caused by exhausts of combustion products from rocket engines. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research]. 2003, vol. 41, no. 2, pp. 168-173. (In Russian).Mendillo M., Baumgardner J. Optical signature of ionospheric hole // Geophys. Res. Lett. 1982. V. 9, N 3. P. 215-218.Platov Yu.V., Semenov A.I., Filippov B.P. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2011, vol. 51, no. 4, pp. 556-562. (In Russian)Mikhalev А.V. Midlatitude airglow during heliogeophysical disturbances // Geomagnetism and Aeronomy. 2011. V. 51, N 7. P. 974-978.Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.P., Shpynev B.G. Active Space Experiments with the use of the Transport Spacecraft “Progress” and Irkutsk IS Radar. PIERS Proc. Moscow, Russia, 2009, pp. 223-227.Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V., et al. Active space experiments with the use of the transport spacecraft Progress and Irkutsk IS Radar // PIERS Proc. Moscow, 2009. P. 223-227.Tagirov V.R., Arinin V.A., Ismagilov V.V., Klimenko V.V. Unisual optical emission in the atmosphere caused by human activity. 22nd European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods. Finland., Nurmijarvi. 1995, p. 7.Tagirov V.R., Arinin V.A., Ismagilov V.V., Klimenko V.V. Unusual optical emission in the atmosphere caused by human activity // 22nd European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods. Finland, Nurmijarvi. 1995. P. 7.Vetchinkin N.V., Granitskii N.V., Platov Yu.V., Sheichue A.I. Optical phenomena in near-Earth space during operation of rocket and satellite engines. I. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research]. 1993, vol. 31, iss. 1. pp. 93-100. (In Russian).URL: http://ckp-angara.iszf.irk.ru/html/history.html (дата обращения 5 сентября 2016 г.).URL: http://ckp-angara.iszf.irk.ru/html/history.html (accessed September 5, 2016).URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/spectr (дата обращения 5 сентября 2016 г.).URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/spectr (accessed September 5, 2016).URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/color (дата обращения 5 сентября 2016 г.).URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/color (accessed September 5, 2016).URL: http://videoscan.ru (дата обращения 5 сентября 2016 г.).URL: http://videoscan.ru (accessed September 5, 2016).URL: http://keoscientific.com/space-science-imagers.php#SEN-TINEL (дата обращения 5 сентября 2016 г.).URL: http://keoscientific.com/space-science-imagers.php#SEN-TINEL (accessed September 5, 2016).