Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 51622 10.12737/szf-84202207 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Optical effects of running spacecraft engines in the lower thermosphere Оптические эффекты работы двигателей космических аппаратов на высотах нижней термосферы Михалев Александр Васильевич Mikhalev Aleksandr Vasilyevich mikhalev@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Белецкий Александр Борисович Beletsky Aleksandr Borisovich beletsky@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-8662-9058 Лебедев Валентин Павлович Lebedev Valentin Pavlovich lebedev@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Хахинов Виталий Викторович Khakhinov Vitaliy Viktorovich khakhin@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 24 12 2022 24 12 2022 8 4 77 82 06 07 2022 04 10 2022 https://naukaru.ru/en/nauka/article/51622/view

На основе данных наблюдений в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН проводится краткий обзор оптических эффектов, вызванных работой бортовых двигателей космических аппаратов (КА) на высотах нижней термосферы. Представлены результаты наблюдений возмущений свечения ночной атмосферы в период работы корректирующих двигателей КА на высотах F2-области ионосферы в космическом эксперименте «Радар–Прогресс». При массе продуктов сгорания, инжектируемых корректирующими двигателями КА, ~10 кг наблюдается увеличение интенсивности эмиссии атомарного кислорода [OI] 630.0 нм. Представлены наблюдаемые в дальней зоне от места старта оптические эффекты, обусловленные стартами с космодрома «Байконур» и пролетами тяжелых ракет-носителей «Энергия» с КА «Скиф-ДМ» 15 мая 1987 г и «Протон-М» с КА «Ямал-601» 30 мая 2019 г. Рассмотрена возможность усиления атмосферной эмиссии [OI] 557.7 нм за счет химической модификации ионосферы в Е-области ионосферы при полете космической системы «Энергия».

This paper provides a brief overview on optical effects during operation of spacecraft (SC) onboard engines in the lower thermosphere according to observational data from the ISTP SB RAS Geophyisical Observatory. We present the results of detected disturbances in the night airglow during operation of SC vernier engines in the F2-region of the ionosphere in the “Radar–Progress” space experiment. With weights of combustion products of ≤10 kg injected by SC vernier engines, the atmospheric emission of [OI] 630.0 nm atomic oxygen is enhanced. We also show optical effects from the launches and passages of heavy launch vehicles “Energiya” from the Skif-DM spacecraft on May 15, 1987 and “Proton-M” from the Yamal-601 spacecraft on May 30, 2019 from Baikonur in the zone far from the launch site. We explore the possibility of enhanced [OI] 557.7 nm atmospheric emission due to chemical modification of the ionosphere in the E-region during the flight of the Energiya space system.

 собственное свечение атмосферы запуски космических аппаратов ионосфера модификация ионосферы airglow spacecraft launches ionosphere ionospheric modification Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (субсидия № 075-ГЗ/Ц3569/278) и РФФИ (грант № 20-05-00580) The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (subsidy No. 075-GZ/Ts3569/278) and by RFBR (Grant No. 20-05-00580)

Авакян С.В., Евлашин Л.С., Коваленок В.В. и др. Наблюдения полярных сияний из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 229 с. Avakyan S.V., Yevlashin L.S., Kovalenok V.V., Lazarev A.I., Titov V.G. Nablyudeniya polyarnykh siyanii iz kosmosa [Aurora Observations from Space]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1991, 229 r. (In Russian). Адушкин В.В., Козлов С.И., Петров А.В. Экологические проблемы и риски воздействия ракетно-космической техники на окружающую среду. Справочное пособие. М.: Анкил, 2000. 638 с. Adushkin V.V., Kozlov S.I., Petrov A.V. Ekologicheskie problemy i riski vozdeistviya raketno-kosmicheskoi tekhniki na okruzhayushchuyu sredu [Ecological Problems and Risks of Space-Rocket Hardware Effect on Environment]. Moscow, Ankil Publ., 2000, 638 p. (In Russian). Белецкий А.Б., Михалев А.В., Хахинов В.В. и др. Оптическое проявление работы бортовых двигателей низкоорбитальных космических аппаратов. Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 4. С. 85-91. DOI: 10.12737/21169. Beletsky A.B., Mikhalev A.V., Khakhinov V.V., Lebedev V.P. Optical effects produced by running onboard engines of low-earth-orbit spacecraft. Solar-Terr. Phys. 2016, vol. 2, iss. 4, pp. 107-117. DOI: 10.12737/24277. Ветчинкин Н.В., Границкий Н.В., Платов Ю.В., Шейхет А.И. Оптические явления в околоземной среде при работе двигательных установок ракет и спутников. I. Наземные и спутниковые наблюдения искусственных образований при запусках ракет. Космические исследования. 1993. Т. 31, вып. 1. С. 93-100. Biondi M.A., Sipler D.P. Studies of equatorial 630.0 nm airglow enhancements produced by a chemical release in the F-region. Planet. Space Sci. 1984, vol. 32, no. 12, pp. 1605-1610. Губанов Б.И. Триумф и трагедия «Энергии»: размышления главного конструктора. Т. 3: «Энергия» - «Буран». Нижний Новгород: Изд-во НИЭР, 1998. 432 с. Danilov A.D., Vlasov M.N. Fotokhimiya ionizovannykh i vozbuzhdennykh chastits v nizhnei ionosphere [Photochemistry of Ionized and Excited Particles in the Lower Ionosphere]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1973, 190 p. (In Russian). Данилов А.Д., Власов М.Н. Фотохимия ионизованных и возбужденных частиц в нижней ионосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 190 с. Dmitriyev A.N., Plaksin A.A., Semenov A.I., Shefov N.N. Technogenic stimulation of the glow of the upper atmosphere. Atmospheric and Oceanic Optics. 1991, vol. 4, no. 5, pp. 405-410. Дмитриев А.Н., Плаксин А.А., Семенов А.И., Шефов Н.Н. Техногенная стимуляция свечения верхней атмосферы. Оптика атмосферы и океана. 1991. Т. 4, № 5. С. 546-552. Dressler R.A., Gardner J.A., Cooke D.L., Mirad E. Analysis of ion densities in the vicinity of space vehicles’ non-neutral chemical kinetics. J. Geophys. Res. 1991, vol. 96, no. A8, pp. 13795-13806. DOI: 10.1029/91JA01410. Карлов В.Д., Козлов С.И., Ткачев Г.Н. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возникающие при полете ракеты с работающим двигателем (обзор). Космические исследования. 1980. Т. 18, вып. 2. С. 266-277. Entsiklopediya nizkotemperaturnoi plazmy. Ionosfernaya plazma. [Encyclopedia of Low-Temperature Plasma. Ionospheric Plasma] Pt. 1. Moscow, YANUS-K Publ., 2008, 508 p. (In Russian). Крестников И.Ф. Экологические аспекты космической деятельности. Гелиогеофизические исследования. 2018. Вып.17. С. 93-99. Gubanov B.I. “Energiya” triumph and tragedy: Chief Designer thougts. Vol. 3: “Energiya” - “Buran”. Nizhni Novgorod, NIER Publ., 1998, 432 p. (In Russian). Миртов Б.А., Старкова А.Г. Высотное распределение суточных вариаций электронной концентрации в слое атмосферы 100-200 км (средние широты). Физика ионосферы (Краткие сообщения). М.: Наука, 1976. С. 77-78. Karlov V.D., Kozlov S.I., Tkachev G.N. Large-scale ionospheric disturbances arisen during the rocket flight with functioning engine (Review). Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research]. 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. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Изд-во СО РАН, 1997. Вып. 107. С. 206-217. 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 im. akademika M.F. Reshetneva [Bull. Acad. M.F. Reshetnev Siberian State Aerospace University]. 2013, iss. 5 (51), pp. 160-162. (In Russian). Михалев А.В., Хахинов В.В., Белецкий А.Б., Лебедев В.П. Оптические эффекты работы бортового двигателя космического аппарата «Прогресс М-17M» на высотах термосферы. Космические исследования. 2016. Т. 54, № 2. С. 113-118. DOI: 10.7868/S0023420616020035. Krestnikov I.F. Ecological aspects of astronautic activity. Geliogeofizicheskie issledovaniya [Heliogeophysical Research] 2018, vol. 17, pp. 93-99. (In Russian). Михалёв А.В., Васильев Р.В., Белецкий А.Б. Эффекты кратковременного увеличения интенсивности излучения атомарного кислорода [OI] 630.0 нм на высотах нижней термосферы, обусловленные техногенной деятельностью. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 1. С. 116-125. DOI: 10.31857/S0016794020010101. Mendillo M.J. Report on investigations of atmospheric effects due to HEAO-C launch. AIAA Meeting Pap. 1980, no. 888, pp. 1-5. DOI: 10.2514/6.1980-888. Михалев А.В., Белецкий А.Б., Лебедев В.П. и др. Оптические эффекты полета ракеты-носителя «Протон-М» со спутником Ямал-601 в дальней от места старта зоне. Космические исследования. 2022. Т. 60, № 2. С. 125-133. DOI: 10.31857/S0023420622020054. Mendillo M. Ionospheric holes: A review of theory and recent experiment. Adv. Spase Res. 1988, vol. 8, no. 1, pp. 51-62. DOI: 10.1016/0273-1177(88)90342-0. Мишин Е.В., Ружин Ю.Я., Телегин В.А. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой. М.: Гидро-метеоиздат, 1989. 264 с. Mendillo M., Baumgardner J. Optical signature of ionospheric hole. Geophys. Res. Lett. 1982, vol. 9, no. 3, pp. 215-218. DOI: 10.1029/GL009i003p00215. Платов Ю.В., Семенов А.И., Шефов Н.Н. Увеличение интенсивности эмиссии гидроксила в мезопаузе, обусловленное выбросом продуктов сгорания ракетных двигателей. Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42, № 4. С. 522-528. 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. DOI: 10.1029/JA080i016p02217. Платов Ю.В., Куликова Г.Н., Черноус С.А. Классификация газопылевых образований в верхней атмосфере, связанных с выбросами продуктов сгорания ракетных двигателей. Космические исследования. 2003. Т. 41, № 2. С. 168-173. Mendillo M., Semeter J., Noto J. Finite element simulation (FES): A computer modeling technique for studies of chemical modification of the ionosphere. Adv. Space Res. 1993, vol. 13, no. 10, pp. 55-64. DOI: 10.1016/0273-1177(93)90050-L. Платов Ю.В., Семенов А.И., Филиппов Б.П. Конденсация продуктов сгорания в выхлопной струе ракетных двигателей в верхней атмосфере. Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 4. С. 556-562. Meneses F.C., Muralikrishna P., Clemesha B.R. Height profiles of OI 630 nm and OI 557.7 nm airglow intensities measured via rocket-borne photometers and estimated using electron density data: comparison. Geofisica Internacional. 2008, vol. 47, no. 3, pp. 161-166. Портола В.А., Луговцова Н.Ю., Торосян Е.С. Расчет процессов горения и взрыва: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 108 с. 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). Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Некоторые результаты активных космических экспериментов «Плазма-Прогресс» и «Радар-Прогресс». Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2013. № 5 (51). С. 160-162. Mikhalev A.V., Khakhinov V.V., Beletskii A.B., Lebedev V.P. Optical effects of the operation of the onboard engine of the Progress M-17M spacecraft at thermospheric heights. Cosmic Res. 2016, vol. 54, iss. 2, pp. 105-110. DOI: 10.1134/S0010952516020039. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы - индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006. 741 с. Mikhalev A.V., Vasilyev R.V., Beletsky A.B. Effects of a short-term increase in the intensity of 630.0-nm emissions of atomic oxygen [OI] at lower thermospheric altitudes due to anthropogenic activity. Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 1, pp. 112-120. DOI: 10.1134/ S0016793220010107. Шпынев Б.Г., Алсаткин С.С., Хахинов В.В., Лебедев В.П. Исследование реакции ионосферы на продукты горения топлива при работе двигателей транспортных грузовых кораблей серии «Прогресс» по данным Иркутского радара некогерентного рассеяния. Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 1. С. 88-96. Mikhalev A.V., Beletskii A.B., Lebedev V.P., Syrenova T.Ye., Khakhinov V.V. A flight of the Proton-M launch vehicle carrying the Yamal-601 satellite: Optical effects observed in a distant zone of the launch site. Cosmic Res. 2022, vol. 60, no. 2, pp. 98-106. DOI: 10.1134/S0010952522020058. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Ионосферная плазма. Часть I. М.: ЯНУС-К, 2008. 508 с. Mirtov B.A., Starkova A.G. Height distribution of daily variations of the electron density in the atmospheric layer of 100-200 km (middle latitudes). Fizika ionosfery. Kratkie soobshcheniya [Physics of the Ionosphere. Brief Reports]. Moscow, Nauka Publ., 1976, pp. 77-78. (In Russian). Biondi M.A., Sipler D.P. Studies of equatorial 630.0 nm airglow enhancements produced by a chemical release in the F-region. Planet. Space Sci. 1984. Vol. 32, no. 12. P. 1605-1610. Mishin Ye.V., Ruzhin Yu.Ya., Telegin V.A. Vzaimodeystvie elektronnykh potokov s ionosfernoi plazmoi [Interaction between Electron Fluxes and Ionospheric Plasma]. Moscow, Gidrometeoizdat Publ., 1989, 264 p. (In Russian). Dressler R.A., Gardner J.A., Cooke D.L., Mirad E. Analysis of ion densities in the vicinity of space vehicles’ non-neutral chemical kinetics. J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96, no. A8. P. 13795-13806. DOI: 10.1029/91JA01410. Platov Yu.V., Semenov A.I., Shefov N.N. Hydroxyl emission intensification at the mesopause due to injection of rocket exhaust. Geomagnetism and Aeronomy. 2002, vol. 42, no. 4, pp. 495-501. Mendillo M.J. Report on investigations of atmospheric effects due to HEAO-C launch. AIAA Meeting Pap. 1980. No. 888. P. 1-5. DOI: 10.2514/6.1980-888. Platov Yu.V., Kulikova G.N., Chernous S.A. Classification of gas-dust structures in the upper atmosphere associated with exhausts of rocket-engine combustionproducts. Cosmic Res. 2003, vol. 41, no. 2, pp. 153-158. Mendillo M. Ionospheric holes: a review of theory and recent experiment. Adv. Spase Res. 1988. Vol. 8, no. 1. P. 51-62. DOI: 10.1016/0273-1177(88)90342-0. Platov Yu.V., Semenov A.I., Filippov B.P. Condensation of combustion products in the exhaust plumes of rocket engines in the upper atmosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 4, pp. 550-556. DOI: 10.1134/ S0016793211040153. Mendillo M., Baumgardner J. Optical signature of ionospheric hole. Geophys. Res. Lett. 1982. Vol. 9, no. 3. P. 215-218. DOI: 10.1029/GL009i003p00215. Portola V.A., Lugovtsova N.YU., Torosyan Ye.S. Rashchet protsessov goreniya i vzryva [Calculation of Burning and Explosion Processes]. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ., 2012, 108 p. (In Russian). 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. P. 2217-2218. DOI: 10.1029/JA080i016p02217. Rycroft M.J. Ionospheric hole caused by rocket engine. Nature. 1982, vol. 297, p. 537. DOI: 10.1038/297537a0. Mendillo M., Semeter J., Noto J. Finite element simulation (FES): A computer modeling technique for studies of chemical modification of the ionosphere. Adv. Space Res. 1993. Vol. 13, no. 10. P. 55-64. DOI: 10.1016/0273-1177(93)90050-L. Semeter J., Mendillo M., Baumgardner J., Holt J., Hunton D.E., Eccles V.A. A study of oxygen 6300 airglow production through chemical modification of the nighttime ionosphere. J. Geophys. Res. 1996, vol. 101, no. A9, pp. 19683-19699. DOI: 10.1029/96JA01485. Meneses F.C., Muralikrishna P., Clemesha B.R. Height profiles of OI 630 nm and OI 557.7 nm airglow intensities measured via rocket-borne photometers and estimated using electron density data: comparison. Geofisica Internacional. 2008. Vol. 47, no. 3. P. 161-166. Shefov N.N., Semenov A.I., Khomich V.Yu. Izluchenie verkhnei atmosfery - indikator ee struktury i dinamiki [Airglow as an Indicator of the Upper Atmospheric Structure and Dynamics]. Moscow, GEOS Publ., 2006, 741 p. (In Russian). Rycroft M.J. Ionospheric hole caused by rocket engine. Nature. 1982. Vol. 297. P. 537. DOI: 10.1038/297537a0. Shpynev B.G., Alsatkin S.S., Khakhinov V.V., Lebedev V.P. Investigating the ionosphere response to exhaust products of “Progress” cargo spacecraft engines on the basis of Irkutsk Incoherent Scatter Radar data. Solar-Terr. Phys. 2017, vol. 3, iss. 1, pp. 114-127. DOI: 10.12737/article_58f 9722a233f33.55738104. Semeter J., Mendillo M., Baumgardner J., et al. A study of oxygen 6300 airglow production through chemical modification of the nighttime ionosphere. J. Geophys. Res. 1996. Vol. 101, no. A9. P. 19683-19699. DOI: 10.1029/96JA01485. Vetchinkin N.V., Granitskiy N.V., Platov YU.V., Sheikhet A.I. Optical phenomena in near-Earth space during operation of rocket and satellite engines. I. Kosmicheskie issledovaniya. 1993, vol. 31, iss. 1, pp. 93-100. (In Russian). URL: https://www.roscosmos.ru/450 (дата обращения 27 июня 2022 г.). URL: https://www.roscosmos.ru/450 (accessed June 27, 2022). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 27 июня 2022 г.). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (accessed June 27, 2022).