Способ прогнозирования параметров солнечного ветра на уровне орбиты земли

(71) Институт земного магнетизма, ионосферы ираспространения радиоволн РАН(73) Институт земного магнетизма, ионосферы ираспространения радиоволн РАН(54) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА УРОВНЕ ОРБИТЫ ЗЕМЛИ(57) Использование: в исследованиях связи параметров межпланетной среды с состоянием геомагнитосферы и геомагнитного поля, оказывающихвлияние на здоровье человека и работу созданныхим технических систем. Сущность изобретения: параметры солнечного ветра регистрируются космическим аппаратом (КА), установленном на расстояний О от Земли, превышающим расстояние до передней точки либрации. При этом перемещение КАв межпланетном пространстве и удержание его ввыбранном районе осуществляется путем использования силы давления солнечного света на поКомитет Российской Федерацп по патентам и товарным знака 19) КУ (д 1) 200313 б51) 5 001 УЗ 00 2верхность, являющуюся частью КА (парус) и ориентированную так что вектор давления солнечного ветра направлен квазинормально (от Солнца). Зарегистрированные спутником паоаметры солнечного ветра будут наблюдаться на уровне геомагнитосферы через промвкуток времени 1: О / ч, где м - скорость солнечного ветра. Эта заблаговременность прогноза Т может быть 8 ч. и более, что позволяет заин ересованным ведомствам подготовиться к возможным катострофическим последствиям сильных геомагнитных возмущений. При этом парусньй КА может быть размещен таким образом, что комгенсирует перемещение Земли в межпланетном пространстве за время распространения солнечного ветра от КА к геомагнитосфере, что обеспечивает достоверность прогноза параметров солнечного ветра. дпя предотвращения смещения КА из начального положения под влиянием составляющей силы земного притяжения ее можно балансировать составллкхцей силы светового давления, возникающей при некотором повороте паруса или его части относительно квазинормапьной ориентации. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Указанный спОсОб реализован на спутко,1 ЯЕЕ,США), который длительный"8 лет) период времени находился в окрестности передней точки либрации, которая обладает той исключительной особенас(ьРО, что в нсй тело малой массы находится в састояРРии относительного равРРОвесия па отношению к Солнцу и Земле, УдалениеотЗемлисаставляло "1,5 10 км. Спутник 35 ЕЕрегистрировал и передавал параметры солнечного ветра с заблагавреИзобретеРчие относится к исследаваРРю связи параметров межпланетной среды с состоянием геомагнитосферы и геоРчРГРРИТРЧого паляоказывающей влияние РРд здоровье человека и работу созданных нм технических систем.ИзяестеР способ прогнозирования параметров салнеч;Рого ветра нд уровне орбиты Земли, па которым определяют зле( гра (ЧГРРчтРЧу.о обстановку в околоземном поострднстве: поступление энергии внутрь Р:ЧдгнгчтасРерРР Земли, динамику токовых сис Ге.кап векцию магнитасферной и НОРРасфеРЗРРОй и/Рдзмы, развитие маГнитасферных и ианасферРРых возмущений - лчагнписфер ьх суббурь и РчагнитР ых бурь. Наличие РчРфамдцРРи Об этих параметрах; с;а)ест ветра, пгОтРасти плазмы в ветре, меж;ЧРЧдРРеРРРОРч магнитном поле, переносимом вечрс)Ч, позволяет проводить расчет Рчрас 1 рсРРЧсГРЗенРчага распределения ГеамаГ" нитного паля,злектриеского пОля в ионосфере и мдгнитасферна-ианасферных та;авых систем, т,е, контролировать электрома.РРРчЧ чае сас 1 аяние околоземного прост рдРРства. Таким образам, прогноз состояния Рчдгнитасферы Земли, геомагнит- РОга паля и ионосферы - зто, па существу,РРО(наэ пдрдметра 3 солнечного ветра на уровне Оабиты Земли,Наиболее близким Для даннага техРчическа 0 решеРРиЯ Является способ праГнази равдния пардметрои солнечного ветра на ура(,Ре орбиты Земли с помощью космических аппаратов(:А), находРщихся в межпланетном пространстве между Солнцем и Землей и удаленных от Земли в сторону Солнца нд расстояние до нескольких десятков миллионов километров. Такой КА, регистрируя параметры солнечного ветра, перемещзРащегася ат Солнца со скоростью -300-700 км с , способен сообщить на- блРаддтелРО нд Земле эти параметры с заблагавре ме н и Остьа й, оп ределяемой временем перемешения ветра от КА до Орбиты Земли. менностью й" 30-90 мин до ее прихода к орбите Земли.Для стандартных современных КА зта заблагавременность является предельной (если иметь в виду долговременную работу одного аппарата в локальной области пространства), так как точка ллбрдции - единственный возможный пункт их длительного нахождения вблизи линии Солнце-Земля. В описанном способе также не учитывался и по той же причине обычными спутниками в принципе не может учитываться снос Земли при ее движении па орбите за время прохождения возмущения ат КА до Земли, что в случае существенной неоднородности солнечного ветра на участке этого сноса привоДит к выДаче лОжнОГО извещениЯ (.РЗЕЕДо 15",). Кроме того, прием сигнала из района передней точки либрации т,е, на фоне солнечного диска) эатрудРРен мощными помехами Солнца в радиодиапазоне,Цель изобретения - увеличение заблаговременности прогноза,Поставленная цель достигается тем, что в способе прогнозирования параметров солнечного ветра, основанном на регистрации этих параметров с помощью КА, установленного между Солнцем и Землей, и последу)ощем анализе этих параметров, КА устанавливаРот на расстоянии О от Земли, превыша)ощем расстояние до передней точки либрации, При этом перемещение КА в межпланетном пространстве и удержание его в выбранном районе осуществляют путем использования силы давления солнечного света на поверхность, являющуюсч частью КА Р,парус) и ориентированную так, что вектор давления солнечного света направлен кваэинормально (от Солнца). Это обеспечивает отсутствие ее тангенциальнай составляРащей и тем самым не нарушает стабильности аппарата в касательном направлении, в том числе и на оси Солнце- Земля. Сила светового давления балансирует разницу между притякением к Солнцу и суммой центробежной силы с и ритяжением к Земле, в результате чего аппарат такого типа, может находиться в постоянном равновесии в любом пункте на этой оси дальше от Земли, чем точка либрации. Для конкретной конструкции расстояние О определяется следующими саот Рашен и я миК = 1 --- ) + -- 1 (1) О 3 МеИ/О - 1 ) й МеРв Бщах(1+0)Вта принимает К = 1,где й = 1,496 10 м - длина большой полуоси Земной орбиты;Ме = 5,98 10 кг - масса Земли;Ма = 1,99 10 кг - масса Солнца; 5Ра = 4,5 10 Па - стандартное световое давление солнечных лучей на уровне орбиты Земли;Явах - максимальная эффективная,площадь паруса в квазинармальном положе нии;Ь - альбедо (коэффициент отражения) ега поверхности;т - масса ал пазаата;6=6,67 10 м кг с - постоянная 15 всемррного тяготения.- при достаточно больших К(К0,1) формула принимает видза-ар.Л:к: 20 Удаление КА за точку либрации увеличивает заблаговременность предупрежденияй, которая зависит от скорости солнечноговетра в наблюдаемом потоке и находится в 25промежутке между 1 ви и 1 вах.Л 1 1 ДЛтви Ч еО,ЪзЧвахЬЬах -- ,О(2) 30ЧавиГдЕ Ча, Чавах И Чави - СООтВЕтСтВЕННО тЕКущая, максимальная и минимальная скорости солнечного ветра (паследние 750 км/с и250 км/с) (2),В части повышения достоверности прагназа заявляемый способ позволяет частично компенсировать снос Землиотносительно потока солнечного ветра путем размещения КА с упреждением - впереди по движенио от аси Солнце-Земля на 40угол, саатветствуощий угловой величинесноса Земли относительна потока солнечного ветра, определяемой соотношением: .ЧеО(3) 45где Че = 29,8 км/с - средняя скорость орбитального вращения Земли. Величина упрежДЕНИЯ ЭаКЛЮЧЕНа В ИНтЕРВаЛЕ Отави ДО авах,соответствующих Чавах и Чави.50Компенсация сноса Земли путем размещения КА с упреждением увеличивает вероятность прохождения КА через потоксолнечного ветра, достигающий Земли. Размещение КА в указанном интервале, по 55крайней мере при О60 млн км, одновременна выводит сигнал эа границы видимогосолнечного диска и окружающей его излучающей области, что резко облегчает его прием.В целях предотвращения смещения аппарата из начального положения под влиянием составляющей силы земного притяжения, эту составляющую можно балансировать с помощью компоненты силы светового давления за счет поворота паруса или его части относительна квазинормальнай ориентации.На фиг, 1 представлены орбита Земли на расстоянии от Солнца, положение передней точки либрации Ь и область нахождения парусного КА с максимальным удалением от орбиты Земли на расстояние О; на фиг. 2 - область межпланетного пространства, которую может занимать солнечный ветер, двигающийся радиально от СОЛНЦа Са СКОРОСТЯМИ Чви И Чвах, ПОЛОЖЕ- ние Земли на орбите, отстающее от указанной области на время, необходимое солнечному ветру, чтобы достигнуть геомагнитасферы, направления прихода сигнала с КА, размещенного с упреждением, на Землю (в этом случае сигнал не попадает на диск Солнца); на фиг, 3 и 4 - способы предотвращения смещения КА иэ начального положения под влиянием составляющей силы земного притяжения, Они состоят в том, чтобы испольэовать составляющую силы светового давления, возникающей или при некотором повороте паруса (фиг. 4), или его части относительно квазинормальной ориентации (фиг. 3).Предлагаемый способ реализуется, например, следующим образом.На КА устанавливают аппаратуру, например, аналогичную установленной на ЗЯЕЕдля регистрации скорости и плотности солнечного ветра и компонент вектора межпланетного магнитного поля, а также передачи информации в наземный Центр сбора данных. КА выводят ракетой на высокую геацентрическую орбиту, где раскрывают, приводят в рабочее состояние и удаляют от Земли па раскручивающейся спирали до выхода на гелиоцентрическую орбиту, что занимает у "Витязя" 20-40 сут. Затем при тормозящем действии паруса снижают КА в плоскости эклиптики до уровня квазистационарной точки, причем траекторию подбирают с учетом условия, накладываемого на угловую скорость на конечной орбите. Альтернативно спуск осуществляют по наибыстрейшему варианту - локсадромии, с тем что избыточный момент гасят на финише разовым реактивным импульсом. КА можно доставить на квазистационарную орбиту и носителем па отработанному маршруту к Венере или Меркурию, тогда парус раскры 2003136вают уже в конце, также с приданием гасящего импульса последней ступенью носителя, Это в рамках возможностей существующих технических средств, так как по массе и габаритам проектируемые аппа раты заведомо не превосходят заброшенные на эти планеты грузы.Для конкретной конструкции рассчитаем удаление КА от Земли. Для аппарата с характеристиками "Витязя" имеем: Явах = 10 =120000 м, т =463 кг, Ь =0,92. По формуле (1) находим, что данный аппарат способен реализовать О до 22 млн км. При этом заблаговременность предупреждения по (2) составит от 8 до 24, пик вероятности прихо дится на 16-17 ч. Упреждение КА по (3) для найденного удаления от Земли составляет ать = 0,0058; бе = 0,0175.Составляющую силы земного притяжения, возникающую при наличии упрежде ния и направленную по касательной к орбите КА, можно балансировать составляющей силы светового давления, возникающей при повороте паруса или его части на такой угол Ок квазинормальной ориента ции, чтобы эти две составляющие уравнивались, Этот угол вычисляют из формулы 30 где КО - отношение площади части паруса, повернутой под углом О, к его суммарной площади.При необходимости коррекции упреждения поворотом паруса выполняют маневр с временным снижением (рост упреждения) или повышением орбиты (его уменьшение).Приведение КА в квазинормальное положение и поддержание в нем производят за счет момента, создаваемого конусообразной или угалковой формой паруса или его части, обеспечивающей автоматическую ориентацию вершины на Солнце. В тех же целях можно использовать любую обычную систему ориентации.Балансирующий угол О удобно организовать поворотом элекронов - малых подвижных элементов паруса, что, однако, не должно вызывать вращение КА или падение эффективной площади паруса, при этом в 50 остальном квазинормальная ориентация гарантируется как и ранее, Одна из возможных схем представлена на фиг. 3, Иначе парус можно повернуть целиком и контролировать новую ориентацию любой обычной системой, в частности гироскопической или реактивной, или с управляемым центральным конусом (уголком) (фиг, 4).В Центре сбора данных в реальном масштабе времени проводится пересчет параметров солнечного ветра на уровень орбиты Земли и осуществляется на их основе прогноз состояния электромагнитной обстановки в околоземном пространстве. В случае ожидания сильных возмущений заинтересованным ведомствам и службам выдается оповещение о времени наступления возмущения и его амплитуде.Электромагнитные возмущения в околоземном пространстве могут выводить из строя линии электропередач, коррозийную защиту трубопроводов, создавать помехи для работы средств связи и навигации, оказывать негативное воздействие на здоровье людей, Возможность заблаговременного предупреждения о моменте наступления возмущения позволит привести в состояние повышенной готовности службы здоровья (скорая помощь, дежурный персонал клиник и больниц, радиооповещение населения о приближении неблагоприятной геофизической обстановки) и технические службы. При современных средствах сбора и обработки данных и выдачи необходимой информации потребителю в режиме реального времени в нашей стране, прогноз о состоянии геомагнитного поля и геомагнитосферы может быть выдан заинтересованным ведомствам в течение 1 ч с момента поступления сигнала с КА. Таким образом, в распоряжении служб, могущих обеспечить устранение негативного влияния магнитосферной и геомагнитной возмущенности на здоровье людей и технические системы, остается время ( Л 1 -1 ч), где Ьт - заблаговременность прогноза. Увеличение Ь от 1 ч (спутник ЗЯЕЕ) до 8 ч и более (парусный спутник) позволит заинтересованным ведомствам создать механизм борьбы с катастрофическими последствиями сильных геомагнитных возмущений,(56) Хундхаузен А. Расширение короны исолнечный ветер. М.: Мир, 1976, с. 61.Сеорпузса гезеагсп ецегз, чо 1, 7, М 5,050980, р. 38,10 2003136 Самца СДСцис мСРлДота пе,аедай а а мла салиечммй Г РиГ.авитель В,Зверевед М.Моргентал Е.Пап п ор едактор Т,Горяче каз 323 писное НПО." Поиск" Росп35, Москва, Ж, Раув наб.,ательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 водстве 9формула изобретения1. СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА УРОВНЕ ОРБИТЫ ЗЕМЛИ, основанный на регистрации параметров с помощью космического аппарата, установленного между Солнцем и Землей, и последующем анализе этих параметров, отличающийся тем, что космический аппарат устанавливают на расстоянии О от Земли, превышающем расстояние до передней точки либрации, парус космического аппарата ориентируют так, чтобы вектор давления солнечного света был направлен к парусу квазинормально от Солнца, расстояние 0 от Земли до космического аппарата оценивают из соотношения(при К0,1),Ре Яе("+о)М 5где В=-1,496 10 м - длина большой полу 11оси зе л но й о рбить 1;М;,=1,99 10 кг - масса Солнца;Р,=4,5 10Па - стандартное световоедавление солнечных лучей на уровнеорбиты Земли,Бвех - - максимальная эффективная площадь паруса в квазинормальном положении;Ь - альбедо (коэффициент отражения)его поверхности,гп - масса аппарата;. 6 = 6,67 10 мкгс - постоянная всемирного тяготения,а заблаговременность Ь с прогноза находят из выражения10 иЬт= -чгде ч, - текущее значение скорости солнечного ветра.2. Способ по п,1, отличающийся тем,что космический аппарат размещают с упреждением впереди по движению от осиСолнце - Земля на угол, соответствующийугловой величине а сноса Земли относительно потока солнечного ветра, определяемой соотношениемче 0а= -че йгде че - .средняя скорость орбитального25 вращения Земли;ч - текущая скорость солнечного ветра,3. Способ по пп,1 и 2, отличающийся .тем, что последнюю балансируют составляющей силы светового давления за счетповорота паруса или его части относительно квазинормальной ориентации.