Активные эксперименты в околоземном космическом пространстве

Современная электронно-лучевая аппаратура дает уникальные возможности для исследований околоземного космического пространства. Она представляет собой достаточно мощный и гибкий инструмент, позволяющий не только зондировать, но и возмущать ограниченные области околоземной плазмы. Точность измерения и регулирования направленных воздействий приближает активные методы изучения космического пространства с помощью электронно-лучевых пушек к методам, применяемым в наземных лабораториях.

При активных экспериментах с искусственной инжекцией электронов ускоритель электронов (электронная пушка) устанавливается на борт ракеты или спутника и осуществляет выброс (инжекцию) электронов короткими импульсами, чтобы можно было отличить эффекты инжекции от естественных явлений. Эксперименты с инжекцией электронов позволяют получить сведения из области физики плазмы магнитосферы, в частности, определить конфигурацию силовых линий магнитного поля, электрическое поле, изучить эффекты, возникающие при прохождении пучка электронов через космическую плазму, исследовать процесс вторжения пучка электронов в плотные слои атмосферы.

В бывшем СССР организатором и научным руководителем программ по активным экспериментам в ионно- и магнитосфере являлись Институт космических исследований и Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН). К программе активных экспериментов в ионосфере был привлечен ИЭС, имевший опыт создания промышленного электронно-лучевого сварочного оборудования с 1958 г. и бортового для первого в мире технологического эксперимента в космосе по программе «Вулкан». Для этих экспериментов были разработаны электронно-лучевые аппараты, выходные параметры которых близки к параметрам промышленных сварочных установок. Однако по техническим характеристикам они существенно превосходили наземное оборудование. Разработанные аппараты отличались предельно малыми габаритами, массой и энергопотреблением; стабильностью выходных параметров; полностью автоматическим циклом работы; возможностью измерения и передачи на Землю по каналам телеметрии основных рабочих параметров; высокой надежностью.

Аппарат «Зарница». Первым советским активным экспериментом с инжекцией мощного электронного пучка в магнитосферу Земли был эксперимент «Зарница-1». Блок-схема аппарата «Зарница» показана на рис. 1, общий вид — на рис. 2. По сравнению с установкой «Вулкан» в аппарате «Зарница» была существенно повышена мощность электронного пучка — до 3,3 кВт. Конструкция пушек и ускоряющее напряжение остались без изменения.

Для получения тока инжекции до 0,5 А применены три параллельно работающие электронные пушки. Соответственно на большую мощность спроектированы источник ускоряющего напряжения, анодный преобразователь напряжения и аккумуляторная батарея. В отличие от установки «Вулкан» в аппарате «Зарница» все пушки работают одновременно и настраиваются на приблизительно одинаковый ток. Запас по току эмиссии позволяет получать ток инжекции 450 мА даже от одной пушки в случае перегорания катодов остальных пушек.

Источник питания электронно-лучевых пушек, состоящий из высокопотенциального накального трансформатора 4, высоковольтного двух-полупериодного полупроводникового выпрямителя 2, анодного трансформатора 3 и балластных сопротивлений 10, выполнен в виде монолитного блока совместно с электронно-лучевыми пушками.

Генератором прямоугольного напряжения, питающим анодный трансформатор, является преобразователь напряжения, разработанный в Институте электродинамики HAH Украины. Он выполнен на транзисторах и работает на частоте 1 кГц.

Питание накального трансформатора осуществляется от преобразователя 5, регулирование тока инжектора — изменением мощности накала катодов электронно-лучевых пушек с помощью ШИМ питающего напряжения. Для стабилизации тока инжекции на заданном уровне используется отрицательная обратная связь по току нагрузки анодного инвертора 6.

По программе эксперимента было предусмотрено два режима работы установки — с током инжекции 280 и 450 мА. При этом ток модулирован по амплитуде с частотой 0,5 Гц и глубиной модуляции 100 %.

Коммутация силовых и управляющих цепей, модуляция и стабилизация тока инжекции, а также защита от высоковольтных пробоев межэлектродного промежутка электронно-лучевых пушек с автоматическим повторным включением после устранения причины пробоя осуществляется блоком управления 7. Команды на включение аппарата и переход на другой режим работы поступают на блок 7 с командоаппарата ракеты.

Надежность схемы управления обеспечивается использованием высококачественных комплектующих элементов, выбором коэффициента нагрузки не более 0,5, резервированием каждого элемента. Схема выполнена так, что позволяет проводить предполетную проверку каждого из дублированных элементов, для чего разработан специальный контрольно-измерительный пульт. Все провода закольцованы для защиты от отказов типа «обрыв».

В качестве источника постоянного тока использована аккумуляторная батарея 8.

Работа аппарата контролируется путем измерения и передачи по каналам телеметрии на Землю основных параметров установки. Соответствующие электрические величины преобразуются в блоке 9 в унифицированные электрические сигналы постоянного тока, гальванически развязанные с силовыми цепями аппарата. Далее эти напряжения поступали в блок телеметрии ракеты.

Аппарат был установлен на борт метеорологической твердотопливной ракеты MP-12, которая была запущена 29 мая 1973 г. с космодрома Капустин Яр по баллистической траектории с апогеем 180 км. Согласно программе эксперимента аппарат был включен после выхода из плотных слоев атмосферы на высоте около 100 км. Импульсная инжекция электронов производилась вдоль линий магнитного поля Земли. Угол инжекции благодаря вращению ракеты вдоль своей оси менялся за каждый оборот от 30 до 85°.

На первом режиме работы продолжительностью 60 с ток инжекции в импульсах составлял 300 мА при энергии электронов 8,9 кэВ. После переключения на второй режим работы ток инжекции увеличился до 440 мА, а энергия электронов упала до 6,4 кэВ из-за снижения напряжения аккумуляторной батареи вследствие увеличения тока нагрузки. Работа на втором режиме продолжалась 103 с, после чего инжектор был переключен на непрерывный режим генерации с теми же параметрами электронного пучка. В этом режиме инжектор проработал еще 70 с до входа ракеты в сравнительно плотные слои атмосферы, когда ухудшившийся вакуум сделал невозможным дальнейшую работу электронно-лучевых пушек.

На рис. 3 приведены образцы записи телеметрической информации с борта ракеты.

Для наблюдения эффектов искусственного вторжения электронов в атмосферу в районе запуска был размещен ряд станций с оптическими (включая телевизионные) и радиофизическими средствами наблюдения. Наземные оптические наблюдения позволили зарегистрировать и проследить эволюцию свечения (по форме луча вдоль магнитных силовых линий геомагнитного поля), возникавшего при возбуждении электронным пучком атомов и молекул ионосферы. Было получено около трехсот снимков, один из которых представлен на рис. 4. Максимальная яркость свечения достигла 5-й звездной величины. Полученные данные свидетельствуют о прохождении электронным пучком, по меньшей мере, нескольких десятков километров (от ракеты до области торможения) при сохранении группировки электронов. Достаточно интересно также свечение типа коронного разряда, обнаруженное вдоль траектории полета ракеты и возникавшее только во время инжекции элекроннов.

В ходе эксперимента были получены радиолокационные данные о рассеянии радиоволн на неоднородностях ионизации, генерируемых в ионосфере на высотах около 110 км пучком инжектируемых электронов (аналогично естественному рассеянию радиоволн при полярных сияниях). Большой интерес представляет обнаруженное радиоизлучение на частоте 44,5 мГц, появлявшееся во время инжекции электронов и модулированное на частоте вращения ракеты.

Второй запуск аппарата по программе «Зарница-2» был проведен 11 сентября 1975 г. Программа работы инжектора была аналогична программе первого эксперимента. «Зарница-2» была еще одним значительным шагом в активных экспериментах, полученные данные о потенциале ракеты были крайне важны для понимания функции разрядных процессов в околоракетной области, исключительный интерес представляли данные о радиоизлучении.

Установка ARAKS. Накопленный опыт в разработке устанавливаемой на ракетах и спутниках электронно-лучевой аппаратуры позволил создать для совместного советско-французского эксперимента ARAKS инжектор электронов, обладающий рекордными по тем временам характеристиками. ARAKS — аббревиатура английских слов Artificial Radiation and Aurora between Kerghelen and Sogra; определяющая цель и содержание эксперимента: искусственное полярное сияние и радиация на острове Кергелен и в поселке Corpa. Одновременно ARAKS — это название реки в Армении, где было подписано соглашение о проведении эксперимента. С француэ-кой стороны в эксперименте участвовал Центр исследования космических излучений и Национальный центр космических исследований (НЦКИ).

Остров Кергелен (Франция) и поселок Corpa (Архангельская обл.) были выбраны потому, что представляют собой уникальную пару магнитно-сопряженных точек, обе находятся на суше и расположены в высоких широтах разных полушарий (рис. 5).

В эксперименте использовали две французские ракеты «Эридан». В состав научной аппаратуры каждой из них входило около пятидесяти различных приборов общей массой более 450 кг, основным из которых был инжектор электронов, разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона. По основным техническим параметрам инжектор аналогичен лучшему в то время промышленному аппарату У-250 с пушкой У-530, т. е. он обеспечивал мощность пучка 13,5 кВт, отклонение пучка на углы ±90° и позволял работать в импульсном режиме. Однако по габаритно-массовым и надежностным характеристикам он не шел ни в какое сравнение с наземным оборудованием. Так, масса аппарата без аккумуляторной батареи составляла 120 кг, высота 1,02 м, диаметр 0,5 м. Для сравнения приведем аналогичные параметры установки У-250: масса силового шкафа 180 кг, габариты 1,7x1,6 м; масса шкафа управления 250 кг, габариты 1,6x0,5 м; масса электронно-лучевой пушки У-530 14,3 кг, габариты 0,33x0,16 м.

Ускоритель электронов представляет собой автономный прибор, предназначенный для инжекции электронного пучка с током 0,5 А и энергией 15 и 27 кэВ по заданной программе. Конструктивно ускоритель выполнен в виде трех соединенных вместе блоков (рис. 6): силовой аккумуляторной батареи, приборного отсека и высоковольтного блока с электронно-лучевой пушкой. Высоковольтный блок выполнен в виде монолитного модуля, герметизированного компаундом на основе эпоксидных смол, и во время работы находится в вакууме. В приборном отсеке размещена низковольтная часть аппарата. Блок-схема установки приведена на рис. 7. Для питания силовой части ускорителя применены стандартные серебряноцинковые аккумуляторы 11 емкостью 50 А-ч. Нагруженная током 400 А аккумуляторная батарея обеспечивает напряжение 36...38 В при ЭДС 65...67 В. Цепи управления и электронные блоки ускорителя питаются от батареи управления 15. Программно-временное устройство (ПВУ) также имеет автономный источник питания — аккумуляторную батарею 16.

В установке применена специально разработанная высоконадежная виброустойчивая электронно-лучевая триодная пушка 1 с дисковым лантан-боридным катодом, нагреваемым электронной бомбардировкой. Конструкция пушки обеспечивает ее устойчивую работу в условиях сравнительно низкого вакуума и стабильность трехмерных характеристик пучка в широком диапазоне изменения ускоряющего напряжения. Для инжекции пучка в трех направлениях +70, 0, -70° разработана электромагнитная отклоняющая система с явно выраженными полюсными наконечниками.

В источнике ускоряющего напряжения пушки используется широкополосный повышающий трансформатор 8 и полупроводниковый выпрямитель 7. Для повышения надежности работы введено многократное секционирование источника, применена оригинальная конструкция и технология изготовления обмоток высоковольтного трансформатора и схемы соединения его с высоковольтным выпрямителем. Эти меры, а также введение специального корректирующего звена позволили получить нерезонирующий в широком диапазоне изменения тока нагрузки высоковольтный источник. Схема высоковольтного выпрямителя работоспособна при выходе из строя до 15 % его элементов. Электромагнитные и тепловые нагрузки элементов источника ускоряющего напряжения были выбраны из условия непрерывного потребления мощности 15 кВт в течение 10 мин.

Для обеспечения двух значений ускоряющего напряжения разработан специальный высоковольтный коммутатор галетного типа с масляной изоляцией 6.

Блок подогрева катода электронной бомбардировкой размещен в высоковольтном источнике и представляет собой источник бомбардирующего напряжения и стабилизатор тока бомбардировки. Соответствующие обмотки находятся на магнитопроводе силового трансформатора. Стабилизатор тока бомбардировки, выполненный на магнитном усилителе, обеспечивает точность поддержания тока 13 % при изменении питающего напряжения на 50 %. Регулирование тока пучка электронной пушки осуществляется подачей на промежуток катод-прикатодный электрод управляющего напряжения, плавно регулируемого от 0 до 8 кВ. Для этой цели служит выходной блок регулятора тока 3, вмонтированный в высоковольтный источник.

Преобразование постоянного напряжения силовой аккумуляторной батареи в переменное напряжение частотой 1000 Гц для питания повышающего трансформатора источника ускоряющего напряжения осуществляется силовым инвертором 9, разработанным в Институте электродинамики. Инверторный блок включает транзисторный преобразователь и блоки защиты. Транзисторный инвертор спроектирован с использованием трехступенчатой схемы, состоящей из задающего генератора, усилителя мощности и инвертора. Для оптимизации работы силовых транзисторов в широком диапазоне токов нагрузки и температуры использовано регулируемое насыщение переключающих транзисторов по цепям обратных связей.

Регулятор тока пучка 4 обеспечивает стабилизацию и регулирование по заданной программе тока электронной пушки независимо от колебаний ускоряющего и питающего напряжения, изменения параметров электроннолучевой пушки, колебаний температуры окружающей среды и т. п. Диапазон регулирования тока пучка 0,05...0,5 А, точность стабилизации тока не хуже ±1 % при его изменении без регулятора на ±30 %.

Для стабилизации угла отклонения электронного пучка при колебаниях напряжения аккумуляторных батарей и изменении сопротивления отклоняющих катушек вследствие их нагрева применен регулятор тока отклонения 13.

Программное изменение тока пушки и отклонение электронного пучка, синхронизированное внешними кварцевыми часами, обеспечивает ПВУ, разработанное в ИЭС и изготовленное в ЦКИ. Часть измерительных приборов находилась в отделяемом от основного приборного отсека контейнере. Перед стартом ПВУ инжектора и ПВУ отделяемого контейнера синхронизировались. Кварцевая стабилизация позволила надежно связать показания приборов отделяемого контейнера с работой инжектора электронов.

Детальные наземные испытания и анализ телеметрической информации подтвердили правильность принятых технических решении и высокую надежность инжектора.

Инжектор электронов устанавливался в носовой части французской твердотопливной баллистической ракеты «Эридан», запуски которой были осуществлены 26 января и 15 февраля 1975 г. с о. Кергелен. Комплекс приборов на ракете выполнял детектирование электронов и волновых излучений, а также контроль потенциала ракеты. Измерялась магнитная и электрическая компонента волн в широком диапазоне. Для компенсации положительного заряда тела ракеты, возникающего при уходе электронов, применялся активный метод — выброс цезиевой плазмы от плазмогенератора, разработанного в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. Отделяемый носовой конус с научным оборудованием и инжектор электронов показаны на рис. 8. Траекторные изменения осуществлялись с помощью имевшегося на о. Кергелен советского радиолокатора.

Пуск первой ракеты был проведен в плоскости геомагнитного меридиана на север от о. Кергелен. Главное внимание при этом уделялось исследованию взаимодействия волн и частиц, так как усиление волн эффективнее при инжекции вдоль магнитного поля, а также процессам, относящимся к физике полярных сияний.

Согласно программе эксперимента ускоритель работал по циклу, приведенному на рис. 9. Ускоряющее напряжение в первые две трети полета было 27 кВ, затем переключалось на 15 кВ.

Пуск второй ракеты был проведен на геомагнитный восток с целью изучения азимутального дрейфа электронов к востоку («электронного эха»), а также влияния электрического поля на движение этих электронов. Как и в первом пуске, исследовалось распределение частиц по энергиям и углам после рассеяния в атмосфере под ракетой.

Анализ имеющейся телеметрии показал, что инжекторы обеспечивали расчетные параметры электронного пучка и полностью выполняли свою программу.

Комплекс приборов на ракете осуществлял детектирование электронов и волновых излучений, а также контроль потенциала ракеты. Для приема информации с советского бортового прибора «Спектр» в районе о. Кергелен работала установка на советском научно-исследовательском судне «Боровичи».

Непосредственно перед каждым запуском «Эридана» на высоту 80 км над о. Кергелен производились запуски ракеты ARKAS с парашютированием детекторов рентгеновского излучения, вызванного работой электронной пушки. Эти эксперименты осуществлялись Хьюстонским университетом США.

В Архангельской области были размещены двенадцать телевизионных установок сверхвысокой чувствительности для регистрации искусственного полярного сияния. Кроме того, оптические наблюдения во время второго пуска выполняли с самолета-лаборатории Як-40. В Костромской и Вологодской областях работали радиолокационные установки, а также радиоспектрограф ИЗМИРАНа.

Плохие погодные условия не позволили получить такие оптические данные, как во время экспериментов «Зарница». Радиолокационные же наблюдения увенчались успехом. Точки прихода пучка на территорию России позволили экспериментально проверить различные расчетные модели магнитного поля Земли. Разница во времени между инжекцией электронов в ионосфере над о. Кергелен и регистрацией их прихода радарами в магнитно-сопряженной точке существенно отличалась от расчетной. Длительность радарных сигналов была больше соответствующего времени инжекции пучка. Эти результаты требуют дальнейшего теоретического осмысления.

Получены интересные данные о возникновении и развитии неустойчивости плазмы, т. е. о процессах, представляющих кардинальный интерес для решения проблем управляемых термоядерных реакций. Подробно научные результаты эксперимента ARAKS изложены в статье. Следует отметить, что ARAKS внес значительный вклад не только в физику плазмы, но и в геофизику. Обнаружено много новых, не ожидавшихся ранее и трудно объяснимых эффектов, которые должны быть детально проанализированы прежде, чем можно будет утверждать, что мы способны осуществлять действительно управляемые (активные) эксперименты в ионо- и магнитосфере Земли.

Опыт создания бортовой электронно-лучевой аппаратуры оказал большое влияние на разработку промышленной аппаратуры для сварки и спецэлектрометаллургии. В разрабатываемой сейчас аппаратуре все больше используются технические решения и узлы, первоначально апробированные в космических установках.