RU2003136C1 - Способ прогнозировани параметров солнечного ветра на уровне орбиты Земли - Google Patents

Abstract

Использование: в исследовани х св зи параметров межпланетной среды с состо нием геомагнитосферы и геомагнитного пол , оказывающих вли ние на здоровье человека и работу созданных им технических систем Сущность изобретени , параметры солнечного ветра регистрируютс  космическим аппаратом (КА), установленном на рассто ний D от Земли, превышающим рассто ние до передней точки либрации. При этом перемещение КА в межпланетном пространстве и удержание его в выбранном районе осуществл етс  путем использовани  силы давлени  солнечного света на поверхность ,  вл ющуюс  частью КА (парус) и ориентированную так, что вектор давлени  солнечного ветра направлен квазинормально (от Солнца) Зарегистрированные спутником параметры солнечного ветра будут наблюдатьс  на уровне геомагнитосферы через промежуток времени t D / v, где v - скорость солнечного ветра Эта заблаговремен- ность прогноза t может быть 8 ч и более, что позвол ет заинтересованным ведомствам подготовитьс  к возможным катострофическим последстви м сильных геомагнитных возмущений При этом парусный КА может быть размещен таким образом. что компенсирует перемещение Земли в межпланетном пространстве за врем  распространени  солнечного ветра от КА к геомагнитосфере, что обеспечивает достоверность прогноза параметров солнечного ветра дл  предотвращени  смещени  КА из начального положени  под вли нием составл ющей силы земного прит жени  ее можно балансировать составл ющей силы светового давлени , возникающей при некотором повороте паруса или его части относительно квазинормальной ориентации 2зпф-лы. 4 ил у V& JS 1

Description

« ГЛ

to

jaa Ve-V

О

ы

иы

с

Изобретение относитс  к исследованию св зи параметров межпланетной среды с состо нием геомагнитосферы и геомагнитного пол , оказывающей вли ние на здоровье человека и работу созданных SIM юхнических систем.

Илептеп способ прогнозировани  параметров солнечного ветра на уровне орби- ы Зепли, по которым определ ют зпекгоомапшгнуо обстановку в околоземном пространстве: поступление энергии внутрь шгнншсферы Земли, динамику токовых , конвекциюмагнитосфернойи ионосферной плазмы, развитие магните- сфериих и ионосферных возмущений - маг- Нч roc 4;prii i суббурь и магнитных бурь. Наличие информации об этих параметрах: скорости t ctpn, плс1нос1и плазмы в ветре, ме.киланешом магнитном поле, переноси- мом ьетрсм, позвол ет проводить расчет пространственного распределени  геомагнитного пол , электрического пол  в ионосфере- и МоП.мтосферно ионосферных roi ооых спелом, г.е. контролировать элект- гюмашчшое состо ние околоземного про- стрзлсша. Таким образом, прогноз состочнио магнитосферы Земли, геомагнитного пол  и ионосферы - это, по существу, прогноз пирометров солнечного ветра на урорне opbuibi Земли.

I (ппСолее близким дл  данного технического решени   вл етс  способ прогнозирование .параметров солнечного ветра на уровне орбиты Земли с помощью космиче- ских аппаратов (КЛ), наход щихс  в межпла- иегном пространстве между Солнцем и Землей и удаленных от Земли в сторону Солнца на рассто ние до нескольких дес тков миллионов километров. Такой КА, реги- стриру  параметры солнечного ветра, перемещающегос  от Солнца со скоростью км , способен сообщить наблюдателю на Земле эти параметры сзаблаговремеиностьго At, определ емой временем перемещени  ветра от КЛ до орбиты Земли.

Указанный способ реализован на спутнике JSEfr-З (США), который длительный ( 8 лет) период времени находилс  а окрестности передней точки либрации, котора  обладает той исключительной особенностью , ч го в ней тело малой массы на

ходитс  в состо нии относительного равновеси  по отношению к Солнцу и Земле, Удаление от Земли составл ло 1,5 -106км. Спутник JSEE-3 регистрировал и передавал параметры солнечного ветра с заблаговре5

Ю 5 0 5 0

5 0

5

0

5

менностью At 30-90 мин до ее прихода к орбите Земли,

Дл  стандартных современных КА эта заблаговременность  вл етс  предельной (если иметь в виду долговременную работу одного аппарата в локачьной области пространства ), так как точка либрации - единственный возможный пункт их длительного нахождени  вблизи линии Солнце-Земл , В описанном способе также не учитывалс  и по той же причине обычными спутниками в принципе не может учитыватьс  снос Земли при ее движении по орбите за врем  прохождени  возмущени  от КА до Земли, что в случае существенной неоднородности солнечного ветра на участке этого сноса приводит к выдаче ложного извещени  (J5JEE-3 до 15%). Кроме того, прием сигнала из района передней точки либрации (т.е. на фоне солнечного диска) затруднен мощными помехами Солнца в радиодиапазоне.

Цель изобретени  - увеличение заблаговременное™ прогноза.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе прогнозировани  параметров солнечного ветра, основанном на регистрации этих параметров с помощью КА, установленного между Солнцем и Землей, и последующем анализе этих параметров, КА устанавливают на рассто нии D о г Земли, превышающем рассто ние до передней точки либрации. При этом перемещение КА в межпланетном пространстве и удержание его в выбранном районе осуществл ют путем использовани  силы давлени  солнечного света на поверхность,  вл ющуюс  частью КА (парус) и ориентированную так, что сектор давлени  солнечного света направлен квазинормально (от Солнца). Это обеспечивает отсутствие ее тангенциальной составл ющей и тем самым не нарушает стабильности аппарата в касательном направлении , в том числе и на оси Солнце- Земл . Сила светового давлени  балансирует разницу между прит жением к Солнцу и суммой центробежной силы с прит жением к Земле, в результате чего аппарат такого типа, может находитьс  в посто нном равновесии в любом пункте на этой оси дальше от Земли, чем точка либрации . Дл  конкретной конструкции рассто ние D определ етс  следующими соотношени ми;

K-Hp-Df+MR lf („

-%&±..с.-К,.

то принимает К 1,

где R 1,496 1011 м - длина большой полуоси Земной орбиты;

Ме 5,98 -1024 кг - масса Земли;

Ms 1,99 1030 кг - масса Солнца;

Ps° 4,5 Па - стандартное световое давление солнечных лучей на уровне орбиты Земли;

Smax - максимальна  эффективна  лло- щадь паруса в квазинормальном положении;

b - альбедо (коэффициент отражени ) его поверхности;

m - масса аппарата;

G 6,67 10 11м 3 с 2-посто нна  всемирного т готени .

- при достаточно больших К (К 0,1) формула принимает вид з,

D - R (1 - V1 -К).

Удаление КА за точку либрации увеличивает заблаговременность предупреждени  At, котора  зависит от скорости солнечного ветра в наблюдаемом потоке и находитс  в промежутке между и tmax:

At

D Vs

Atmax -

; Atmln D

D

V,

max

(2)

Vsmin

где Vs, Vsmax и Vsmin - соответственно текуща , максимальна  и минимальна  скорости солнечного ветра (последние 750 км/с и 250 км/с) (2).

В части повышени  достоверности прогноза за вл емый способ позвол ет частично компенсировать снос Земли относительно потока солнечного ветра путем размещени  КА с упреждением-впереди по движению от оси Солнце-Земл  на угол, соответствующий угловой величине сноса Земли относительно потока солнечного ветра, определ емой соотношением:

Уе-Р/оч

Э Vs R Uj

где Ve 29,8 км/с - средн   скорость орбитального вращени  Земли. Величина упреждени  заключена в интервале от amin до атах,

СООТВеТСТВуЮЩИХ Vsmax И Vsmin.

Компенсаци  сноса Земли путем размещени  КА с упреждением увеличивает веро-  тность прохождени  КА через поток солнечного ветра, достигающий Земли. Размещение КА D указанном интервале, по крайней мере при D 60 млн км, одновременно выводит сигнал за границы видимого солнечного диска и окружающей его излучающей области, что резко облегчает его прием .

В цел х предотвращени  смещени  аппарата из начального положени  под вли нием составл ющей силы земного прит жени , эту составл ющую можно балансировать с помощью компоненты силы светового давлени  за счет поворота паруса или его части относительно квазинормаль0 ной ориентации.

На фиг. 1 представлены орбита Земли на рассто нии от Солнца, положение передней точки либрации LI и область нахождени  парусного КА с максимальным

5 удалением от орбиты Земли на рассто ние D; на фиг. 2 - область межпланетного пространства , которую может занимать солнечный ветер, двигающийс  радиально от Солнца со скорост ми Anin и Vmax; положе0 ние Земли на орбите, отстающее от указанной области на врем , необходимое солнечному ветру, чтобы достигнуть геомагнитосферы; направлени  прихода сигнала с КА, размещенного с упреждением, на Зем5 лю (в этом случае сигнал не попадает на диск Солнца); на фиг. 3 и 4 - способы предотвращени  смещени  КА из начального положени  под вли нием составл ющей силы земного прит жени . Они состо т в том, что0 бы использовать составл ющую силы светового давлени , возникающей или при некотором повороте паруса (фиг. 4). или его части относительно квазинормальной ориентации (фиг. 3).

5 Предлагаемый способ реализуетс , например , следующим образом.

На КА устанавливают аппаратуру, например , аналогичную установленной на JSEE-3 дл  регистрации скорости и плотно0 сти солнечного ветра и компонент вектора межпланетного магнитного пол , а также передачи информации в наземный Центр сбора данных. КА вывод т ракетой на высокую геоцентрическую орбиту, где раскрыва5 ют, привод т в рабочее состо ние и удал ют от Земли по раскручивающейс  спирали до выхода на гелиоцентрическую орбиту, что занимает у Вит з  20-40 сут. Затем при тормоз щем действии паруса снижают КА в

0 плоскости эклиптики до уровн  квазистационарной точки, причем траекторию подбирают с учетом услови , накладываемого на угловую скорость на конечной орбите. Альтернативно спуск осуществл ют по наибы5 стрейшему варианту - локсодромии, с тем что избыточный момент гас т на финише разовым реактивным импульсом. КА можно доставить на квазистационарную орбиту и носителем по отработанному маршруту к Венере или Меркурию, тогда парус раскрывают уже в конце, также с приданием гас щего импульса последней ступенью носите- л . Это в рамках возможностей существующих технических средств, так как по массе и габаритам проектируемые аппараты заведомо не превосход т заброшенные на эти планеты грузы.

Дл  конкретной конструкции рассчитаем удаление КА от Земли. Дл  аппарата с характеристиками Вит з  имеем: Smax 120000 м2, m 463 кг, b 0,92. По формуле (1) находим, что данный аппарат способен реализовать D до 22 млн км. При этом заблаговременность предупреждени  по (2) составит от 8 до 24, пик веро тности приходитс  на 16-17 ч. Упреждение КА по (3) дл  найденного удалени  от Земли составл ет amm 0,0058; йтах 0,0175.

Составл ющую силы земного прит жени , возникающую при наличии упреждени  и направленную по касательной к орбите КА, можно балансировать составл ющей силы светового давлени , возникающей при повороте паруса или его части на такой угол 0 к квазинормальной ориентации , чтобы эти две составл ющие уравнивались . Этот угол вычисл ют из формулы

д 2 а Ме а sin vcos с/ тт-сп/

()3

Ms К К 0v D

где К $ - отношение площади части паруса , повернутой под углом в , к его суммарной площади.

При необходимости коррекции упреждени  поворотом паруса выполн ют маневр с временным снижением (рост упреждени ) или повышением орбиты (его уменьшение).

Приведение КА в квазинормальиое положение и поддержание а нем производ т за счет момента, создаваемого конусообразной или уголковой формой паруса или его части, обеспечивающей автоматическую ориентацию вершины на Солнце. 8 тех же цел х можно использовать любую обычную систему ориентации.

Балансирующий угол 0 удобно организовать поворотом элекроноо - малых подвижных элементов паруса, что, однако, не должно вызывать вращение КА или падение эффективной площади паруса, при этом в остальном квазинормальна  ориентаци  гарантируетс  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 управл емым центральным конусом (уголком) (фиг. 4).

В Центре сбора данных в реальном масштабе времени проводитс  пересчет параметров солнечного ветра на уровень орбиты Земли и осуществл етс  на их основе про- 10 гноз состо ни  электромагнитной обстановки в околоземном пространстве. В случае ожидани  сильных возмущений заинтересованным ведомствам и службам выдаетс  оповещение о времени наступлени 

15 возмущени  и его амплитуде.

Электромагнитные возмущени  в околоземном пространстве могут выводить из стро  линии электропередач, коррозийную защиту трубопроводов, создавать помехи

20 дл  работы средств св зи и навигации, оказывать негативное воздействие на здоровье людей. Возможность заблаговременного предупреждени  о моменте наступлени  возмущени  позволит привести в состо ние

25 повышенной готовности службы здоровь  (скора  помощь, дежурный персонал клиник и больниц, радиоогговещение населени  о приближении неблагопри тной геофизической обстановки) и технические службы.

30 При современных средствах сбора и обработки данных и выдачи необходимой информации потребителю в режиме реального времени в нашей стране, прогноз о состо нии геомагнитного пол  и геомагнитосферы

35 может быть выдан заинтересованным ведомствам о течение 1 ч с момента поступлени  сигнала с КА. Таким образом, в распор жении служб, могущих обеспечить устранение негативного вли ни  магнито40 сфёрной и геомагнитной возмущённое™ на здоровье людей и технические системы, остаетс  врем  ( Д t - 1 ч), где At - заблаговременность прогноза. Увеличение At от 1 ч (спутник JSEE-3} до 8 ч и более (парусный

45 спутник) позволит заинтересованным ведомствам создать механизм борьбы с катастрофическими последстви ми сильных геомагнитных возмущений.

50 (56) Хундхаузем А. Расширение короны ч солнечный ветер. М.: Мир, 1976, с. 61.

Geophysical research letters, vol. 7, № 5, 05/1980, p. 38.

92003136

Claims (3)

1. СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА УРОВНЕ ОРБИТЫ ЗЕМЛИ, основанный на регистрации параметров с помощью кос- 5 мического аппарата, установленного между Солнцем и Землей, и последующем анализе этих параметров, отличающийс  тем, что космический аппарат устанавливают на рассто нии D от Земли, превышающем рассто ние до передней точки

10

щадь паруса в квазинормальном положении;

b - альбедо (коэффициент отражени ) его поверхности:

m - масса аппарата;

-1 . -2

G 6,67-10 11 м3

- посто нкг «с

на  всемирного т готени , а заблаговременность Д t прогноза наход т из выражени 

10 .-Ј

где vs - текущее значение скорости солнечного ветра.

2. Способ по п.1, отличающийс  тем,

квазинормально от Солнца, рассто ние D 15 цто космический аппарат размещают с уп- от Земли до космического аппарата оцени- рождением впереди по движению от оси вэют из соотношени Солнце - Земл  на угол, соответствующий

угловой величине а сноса Земли относи- 2Q тельно потока солнечного ветра, определ емой соотношением

либрации, парус космического аппарата ориентируют так, чтобы вектор давлени  солнечного света был направлен к парусу

(i-Зт-к)

(при К 0,1),

.Р°Зтах(ИЬ)Р:

ю

G-Mc-m

Д т

Ve-D Vs R

10

щадь паруса в квазинормальном положении;

b - альбедо (коэффициент отражени ) его поверхности:

m - масса аппарата;

-1 . -2

G 6,67-10 11 м3

- посто нкг «с

Д т

Ve-D Vs R

где R 1 496-Ю11 м- длина большой полу- ос W ve - средн   скорость орбитального мг25 вращени  Земли;

оси земной орбиты;

130 кг - масса Сочнца;

,99- tO

,5-10

-6

Па - стандартное световое

vs - текуща  скорость солнечного ветра.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийс  тем, что последнюю балансируют составл ющей силы светового давлени  за счет поворота паруса или его части относительно квазинормальной ориентации.

давление солнечных лучей на уровне орбиты Земли; Smax- - максимальна  эффективна  пло neps3 с  r-оьха udp тиии

вУ

Составитель В.Зверев Техред М Моргентал

Корректор Е

ТиражПодписное

НПО Поиск Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., 4/5

vs - текуща  скорость солнечного ветра. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийс  тем, что последнюю балансируют составл ющей силы светового давлени  за счет поворота паруса или его части относительно квазинормальной ориентации.

сцк карлиц почха

&й

Fui 3

Раг

Корректор Е.Пзпп