Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft

Aleksandr Beletsky; Aleksandr Mikhalev; Vitaliy Khakhinov; Valentin Lebedev

doi:10.12737/21169

OPTICAL EFFECTS PRODUCED BY RUNNING ONBOARD ENGINES OF LOW-EARTH-ORBIT SPACECRAFT Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft

АА Аа

Published in Solnechno-Zemnaya Fizika · Volume 2, Issue 4 · Pages 85–91 · Rubric: Results of current research

DOI: https://doi.org/10.12737/21169

Received: 21.08.2016 Accepted: 27.12.2016 Published: 27.12.2016 Language of publication: ru-RU

Authors

Aleksandr Beletsky

Aleksandr Mikhalev

Vitaliy Khakhinov

Valentin Lebedev

ORCID

Aleksandr Beletsky

Academic degree: candidate of physical and mathematical sciences

Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Russian Federation · Irkutsk

Aleksandr Mikhalev

Academic degree: doctor of physical and mathematical sciences

Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Russian Federation · Irkutsk

Vitaliy Khakhinov

Academic degree: candidate of physical and mathematical sciences

Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Russian Federation · Irkutsk

Valentin Lebedev

Academic degree: candidate of physical and mathematical sciences

Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Russian Federation · Irkutsk

ORCID

ABSTRACT

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.

KEYWORDS

airglow, ionosphere, spacecraft

Text

Text (PDF)

Read Download

ВВЕДЕНИЕ

Оптические 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 ЭКСПЕРИМЕНТ

Космический 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.

1. 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).

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. 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.

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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).

10. 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.

11. Mendillo M.J. Report on investigations of atmospherique effecte due to HEAO-C launch // AIAA Pap. 1980, no. 888. pp. 1-5.

12. 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.

13. Mendillo M., Baumgardner J. Optical signature of ionospheric hole. Geophys. Res. Lett. 1982, vol. 9, no. 3, pp. 215-218.

14. Mikhalev А.V. Midlatitude airglow during heliogeophysical disturbances. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 7, pp. 974-978.

15. 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).

16. 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).

17. 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).

18. 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)

19. 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.

20. 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.

21. 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).

22. URL: http://ckp-angara.iszf.irk.ru/html/history.html (accessed September 5, 2016).

23. URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/spectr (accessed September 5, 2016).

24. URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/color (accessed September 5, 2016).

25. URL: http://videoscan.ru (accessed September 5, 2016).

26. URL: http://keoscientific.com/space-science-imagers.php#SEN-TINEL (accessed September 5, 2016).

PDF JATS XML

Editor-in-Chief

Geliy Zherebtsov

solater@iszf.irk.ru

Deputy Editor-in-Chief

Aleksandr Stepanov

stepanov@gaoran.ru

Deputy Editor-in-Chief

Alexander Potapov

potapov@iszf.irk.ru

Executive Secretary of Editorial Board

Natalia Polyushkina

npol@iszf.irk.ru

6043

downloads

GOST

Beletsky A. B., Mikhalev A. V., Khakhinov V. V., Lebedev V. P. Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft // Solnechno-Zemnaya Fizika. 2016. no. 4. pp. 85-91. DOI: https://doi.org/10.12737/21169. (Date of access 15.11.2026).

MLA

Aleksandr Beletsky, Mikhalev A. V., Khakhinov V. V., Lebedev V. P.. "Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft." Solnechno-Zemnaya Fizika 2.4 (2016): 85-91. DOI: https://doi.org/10.12737/21169.

APA

Beletsky A. B., Mikhalev A. V., Khakhinov V. V., Lebedev V. P. (2016). Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft. Solnechno-Zemnaya Fizika, 2(4), 85-91. https://doi.org/10.12737/21169

Chicago

Aleksandr Beletsky, Mikhalev A. V., Khakhinov V. V., Lebedev V. P.. "Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft." Solnechno-Zemnaya Fizika 2, no. 4 (2016): 85-91. https://doi.org/10.12737/21169.

WIKI

{{cite journal | author = Beletsky A. B., Mikhalev A. V., Khakhinov V. V., Lebedev V. P. | title = Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft | journal = Solnechno-Zemnaya Fizika | year = 2016 | volume = 2 | issue = 4 | pages = 85-91 | doi = 10.12737/21169 }}

Copy

Export: BibTeX EndNote RefMan RusMARC

OPTICAL EFFECTS PRODUCED BY RUNNING ONBOARD ENGINES OF LOW-EARTH-ORBIT SPACECRAFT Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft

ВВЕДЕНИЕ

АКТИВНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Confirmation