Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 14066 10.12737/22812 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Investigating the ionosphere response to exhaust products of “Progress” cargo spacecraft engines on the basis of Irkutsk Incoherent Scatter Radar data Исследование реакции ионосферы на продукты горения топлива при работе двигателей транспортных грузовых кораблей серии «Прогресс» по данным Иркутского радара некогерентного рассеяния Шпынев Борис Геннадьевич Shpynev Boris Gennad'evich shpynev@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Алсаткин Сергей Сергеевич Alsatkin Sergei Sergeevich alss@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;

 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;

 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 22 11 2016 22 11 2016 3 1 88 96 https://naukaru.ru/en/nauka/article/14066/view

В рамках совместной работы ФГУП ЦНИИмаш, РКК «Энергия» и ИСЗФ СО РАН в 2007–2015 гг. проводился активный космический эксперимент «Радар–Прогресс» (до 2010 г. «Плазма–Прогресс»). На Иркутском радаре некогерентного рассеяния проводились исследования пространственно-временных характеристик ионосферных возмущений, возникающих вследствие инжекции в ионосферную плазму выхлопных газов бортовых двигателей транспортных грузовых космических коралей серии «Прогресс». В качестве основного эффекта при инжекции продуктов горения в ионосферную плазму рассматривается возникновение новых очагов рекомбинации ионов атомарного кислорода О+ на молекулах воды и углекислого газа, что приводит к образованию области пониженной концентрации плазмы («дыры» ионизации). В условиях ночной ионосферы данная область заполняется ионами водорода из плазмосферы, что меняет ионный состав плазмы и характеристики сигналов некогерентного рассеяния. При наблюдении процессов формирования и релаксации области пониженной концентрации плазмы критическими факторами являются степень заполнения диаграммы направленности радара продуктами горения и скорость термосферного нейтрального ветра, который выносит молекулярные фракции выброса из диаграммы направленности радара. Влияние этих факторов приводит к низкой повторяемости успешных наблюдений эффекта. В успешных экспериментах зарегистрированы уменьшение электронной концентрации до 35 % и длительность существования «дыры» ионизации до 30 мин. Время существования на месте «дыры» области с высоким содержанием ионов H+ может составлять до одного часа.

The FSUE Central Research Institute of Machine Building (TsNIIMash), Rocket and Space Corporation “Energia”, and Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (ISTP SB RAS) jointly conducted the active space experiment “Radar-Progress” in 2007–2015. During this experiment, we used the Irkutsk Incoherent Scatter Radar to study space-time characteristics of ionospheric disturbances generated by exhaust products of “Progress” cargo spacecraft engines. As the basic effect during exhaust product injection we consider the formation of new centers for recombination of ambient ionospheric ions O+ on molecules of water and carbon dioxide. This produces an ionization “hole” in the region of injection. In nighttime conditions when the majority of experiments were performed, this hole was filled by hydrogen ions from the plasmasphere, thus the ion composition in the vicinity of the hole and incoherent scatter spectra were changed. For successful observation of the ionization hole dynamics, the critical factors are the degree of radar antenna diagram filling by exhaust products and the velocity of the thermospheric neutral wind, which makes exhaust gases move from the antenna diagram. These two factors lead to poor repeatability of successful experiments. Successful experiments recorded a decrease in electron density up to 35 % in the hole that existed for 30 min. The lifetime of the region with high concentration of H+ ions can be as long as one hour.

 ионосфера электронная концентрация активные космические эксперименты выброс продуктов горения в ионосферную плазму. ionosphere electron density active space experiments exhaust product injection into ionospheric plasma

ВВЕДЕНИЕНачиная с 2007 г. в рамках активных космических экспериментов (КЭ) «Радар–Прогресс» (до 2010 г. «Плазма–Прогресс») [Potekhin et al., 2009; Khakhinov et al., 2012; Хахинов и др., 2012, 2013] на Иркутском радаре некогерентного рассеяния (ИРНР) [Жеребцов и др., 2002] проводились исследования ионосферных неоднородностей, генерируемых выхлопными газами бортовых жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) транспортных грузовых кораблей (ТГК) серии «Прогресс». В 2007–2015 гг. был проведен 91 сеанс КЭ. ИРНР использовался для исследования радиолокационных сигналов как от неоднородностей, генерируемых струей выхлопных газов, так и от ионосферных неоднородностей, возникающих вследствие химической реакции этих выбросов с частицами плазмы.Активные эксперименты проводились в режиме автономного полета ТГК, после завершения программы работ и отстыковки его от международной космической станции (МКС), и имели следующие особенности:относительно малое количество продуктов горения, инжектируемых в ионосферу (скорость сжигания топлива варьирует от 376 г/с до 1 кг/с, длительность работы ЖРД — от 5 до 11 с);разные внешние условия экспериментов, такие как фоновая концентрация электронов, гелио-геофизическая обстановка, высота и ориентация ТГК на орбите, тип ЖРД и направление струи выхлопных газов.Для исследования пространственно-временных характеристик ионосферных возмущений, генерируемых продуктами горения при работе ЖРД, ИРНР включался за несколько часов до сеанса КЭ с целью определения фоновых параметров ионосферной плазмы в области пролета ТГК и продолжал измерения в течение нескольких часов после сеанса КЭ.Ионосферные эффекты исследовались по методикам, изложенным в работах [Shpynev, 2004; Медведев и др., 2004; Лебедев и др., 2008; Хахинов и др., 2010], в двух частотных каналах для одновременного измерения профиля мощности и спектральных характеристик сигналов некогерентного рассеяния (НР). В спектральном канале измерений использовался прямоугольный импульс длительностью 750 мкс. В канале регистрации профиля мощности в период низкой солнечной активности 2007–2008 гг. для зондирования ионосферы применялся прямоугольный импульс длительностью 150–200 мкс, с 2009 г. — фазоманипулированный импульс (использующий 5- или 11-элементный код Баркера) суммарной длительностью 200 мкс с последующим согласованным приемом. Кроме этого, начиная с 2009 г. в экспериментах использовался режим двух разнесенных в меридиональной плоскости лучей для определения динамики возмущенной области.

Вергасова Г.В., Казимировский Э.С. Крупномасштабные вариации преобладающего ветра в нижней термосфере // Изв. АН. Сер. ФАО. 1994. Т. 30, № 1. С. 31-38. Bernhardt P.T., Huba J.D., Swartz W.E., Kelly M.C. Incoherent scatter from space shuttle and rocket engine plumps in the ionosphere. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, no. A2, pp. 2239-2251. Жеребцов Г.А., Заворин А.В., Медведев А.В. и др. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47, № 11. С. 1339-1345. Bernhardt P.T., Huba J.D., Kudeki E., Woodman R.F., Condori L., Villanueva F. Lifetime of a depression in the plasma density over Jicamarca produced by space shuttle exhaust in the ionosphere. Radio Sci. 2001, vol. 36, no. 5, pp. 1209-1220. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмо-сфера. М.: Наука, 1984. 187 c. Kazimirovsky E.S., Manson A.H., Meek C.E., Winds and waves in the middle atmosphere. J. Atmos. Terr. Phys. 1988, vol. 50, no. 3, pp. 243-250. Лебедев В.П., Хахинов В.В., Габдуллин Ф.Ф. и др. Исследование методами радиозондирования характеристик плазменного окружения низкоорбитальных космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2008. № 1 (50). С. 51-60. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Med-vedev A.V., Kushnarev D.S., Shpynev B.G., Zarudnev V.E., Alsatkin S.S., Ratovsky K.G., Podlesny A.V., Bryn’ko I.G. Radiophysical methods of diagnostics of ionospheric disturbances generated by board engines of TCS “Progress”: Algorithms, instruments and results. Rossiiskaya nauchnaya konferentsiya “Zondirovanie zemnykh pokrovov radarami s sintezirovannoi aperturoi” [National Scientific Conference “Sounding of earth surface by radars with synthetic aperture”]. Ulan-Ude, September 6-10, 2010: Proc. 2010, pp. 553-569. (In Russian). URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/Ulan-Ude-2010/pdffiles/s2_35.pdf (accessed November 17, 2017). Медведев А.В., Заворин А.В., Кушнарев Д.С., Шпынев Б.Г. Модернизация аппаратно-программного ком-плекса Иркутского радара НР. Основные элементы новой многоканальной системы регистрации // Солнечно-земная физика. 2004. Вып. 5. С. 107-110. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Alsatkin S.S., Ratovsky K.G., Kushnarev D.S., Tverdokhlebova E.M., Kurshakov M.Yu., Manzhelei A.I., Timofeeva N.I. Results of remote sounding of ionospheric disturbances in active space experiments “Radar-Progress”. Sovremennye problemy dis-tantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current Prob-lems 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. Субли-мация ледяных частиц в условиях верхней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44, № 3. С. 419-423. Khakhinov V.V., Shpynev B.G., Lebedev V.P., Kushnarev D.S., Alsatkin S.S., Khabituev D.S. Radiosounding of ionospheric disturbances generated by exhaust streams of the transport spacecraft “Progress” engines. The 32nd Progress in Electromagnetics Research Symposium. Тhe Electromagnetics Academy Publ., 2012, pp. 1168-1171. Платов Ю.В., Семенов А.И., Филиппов Б.П. Субли-мация твердой углекислоты в условиях верхней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2005. T. 45, № 3. C. 416-420. 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 M.F. Reshetneva [Bull. of M.F. Reshetnev Siberian State Aerospace University]. 2013, special 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 // Росс. науч. конф. «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой». 06-10.09.2010, Улан-Удэ: сб. докладов. 2010. С. 553-569. URL: http://jre.cplire.ru/jre/ library/Ulan-Ude-2010/pdffiles/s2_35.pdf (дата обращения 17 ноября 2016 г.). Krinberg I.A., Taschilin A.V. Ionosfera i plazmоsfera [Ionosphere and plasmasphere]. Moscow, Nauka Publ., 1984. 187 p. (In Russian). Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Ре-зультаты дистанционного зондирования ионосферных возмущений в активных космических экспериментах «Ра-дар-Прогресс» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 3. С. 199-208. Lebedev V.P., Gabdullin F.F., Khakhinov V.V., Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Laletina E.A., Manzhelei A.I. Reseach into characteristics of plasma surrounding of low-orbit spacecraft by radio sounding methods. Kosmonavtika i rake-tostroenie [Cosmonautics and Rocket Engineering]. 2008, no. 1 (50), pp. 51-60. (In Russian). Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Некоторые результаты активных космических экспери-ментов «Плазма-Прогресс» и «Радар-Прогресс» // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического уни-верситета им. М.Ф. Решетнева. 2013. Спец. вып. 5 (51). С. 160-163. Medvedev A.V., Zavorin A.V., Kushnarev D.S., Shpy-nev B.G. Modernization of hardware-software complex of Irkutsk Incoherent Scatter Radar. The basic elements of new multi-channel registration. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Phys.]. 2004, iss. 5, pp. 107-110. (In Russian). Bernhardt P.T., Huba J.D., Swartz W.E., Kelly M.C. Incoherent scatter from space shuttle and rocket engine plumps in the ionosphere // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, N A2. P. 2239-2251. Platov Yu.V., Semenov A.I., Filipov B.P. Sublimation of ice particles in upper atmosphere conditions. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2004, vol. 44, no. 3, pp. 419-423. (In Russian). Bernhardt P.T., Huba J.D., Kudeki E., et al. Lifetime of a depression in the plasma density over Jicamarca produced by space shuttle exhaust in the ionosphere // Radio Sci. 2001. V. 36, N 5. P. 1209-1220. Platov Yu.V., Semenov A.I., Filippov B.P. Sublimation of carbon dioxide ice particles in upper atmosphere conditions // Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2005, vol. 45, no. 3, pp. 416-420. (In Russian). Kazimirovsky E.S., Manson A.H., Meek C.E. Winds and waves in the middle atmosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1988. V. 50, N 3. P. 243-250. Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.A., Shpynev B.G. Active space experiments with the use of the transport spacecraft “Progress” and Irkutsk IS Radar. The 26tn Progress in Electromagnetics Research Symposium. 2009, pp. 223-227. Khakhinov V.V., Shpynev B.G., Lebedev V.P., et al. Radio-sounding of ionospheric disturbances generated by ex-haust streams of the transport spacecraft “Progress” engines // The 32nd Progress in Electromagnetics Research Symposium. The Electromagnetics Academy, 2012. P. 1168-1171. Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization. Radio Sci. 2004, vol. 39, no. 3, RS3001. DOI: 10.1029/2001RS002523. Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V., et al. Active space experiments with the use of the transport space-craft “Progress” and Irkutsk IS Radar // The 26nd Progress in Electromagnetics Research Symposium. 2009. P. 223-227. Vergasova G.V., Kazimirovsky E.S. The large scale variation of dominant wind in lower thermosphere. Izvestiya AN. FAO. [Izvestiya. FAO]. 1994, vol. 30, no. 1, pp. 31-38. (In Russian). Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization // Radio Sci. 2004. V. 39, N 3. RS3001. DOI: 10.1029/2001RS002523. Wu B.J.C. Possible water vap or condensation in rocket exhaust plume. American Institute of Aeronautics and As-tronautics J. 1975, vol. 13, no. 6, pp. 797-802. Wu B.J.C. Possible water vapor condensation in rocket exhaust plume // American Institute of Aeronautics and Astro-nautics J. 1975. V. 13, N 6. P. 797-802. Zherebtsov G.A., Zavorin A.V., Medvedev A.V., Nosov V.E., Potekhin A.P., Shpynev B.G. Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Radiotekhnika i Elektronika [J. Communications Technology and Electronics]. 2002, vol. 47, no. 11, pp. 1339-1345. (In Russian).