CC BY
95
_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ НАГИ
Т о м II 197 1
№ 2
УДК 629.783.014:525 (47) „Янтарь*
НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕТОВ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИОНОСФЕРНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ „ЯНТАРЬ"
Н. Ф. Балаев, Г. Л. Гродзовский, Ю. И. Данилов, В. М. Захаров, Н. Ф. Кравцев, Р. Н. Кузьмин, М. Я- Маров, П. М. Морозов, В. Е. Никитин, С. П. Перов, А. Н. Петунин, В. В. Уткин, В. М. Чулев, Е. Г. Швидковский
С помощью геофизических ракет на высоты 100—400 км производились запуски автоматических ионосферных лабораторий .Янтарь" с газовыми плазменно-ионными двигателями для исследования перспектив управляемого полета в верхних слоях атмосферы. Исследовалась работа газовых плазменно-ионных двигателей, работающих на воздухе, в условиях цолета в ионосфере. Измерялись параметры, характеризующие взаимодействие ионной струи с ионосферной плазмой, и параметры нейтральной атмосферы. Приведены научные результаты проведенных летных экспериментов.
Научные задачи запусков автоматических ионосферных лабораторий „Янтарь" и принципы использования верхних слоев атмосферы для управляемого полета орбитальных аппаратов, описание автоматической ионосферной лаборатории „Янтарь" и основных ее элементов, а также результаты полетов лабораторий „Янтарь1* с плазменно-ионными двигателями, работающими на аргоне и азоте, изложены в [1, 2]. В настоящей работе приводятся результаты полета лаборатории „Янтарь“ с плазменно-ионным двигателем, работающим на воздухе.
Общий вид, схема лаборатории и ее основные элементы приведены в [2], отметим только, что в области плазменно-ионного двигателя была установлена управляемая ионная ловушка, позволившая прямым способом определить потенциал лаборатории. Этот способ основан на описанном в [3] принципе, заключающемся в измерении энергии приходящих ионов путем подачи на сетку ловушки пилообразного напряжения.
Параметры верхней атмосферы. Рабочий интервал высот автоматической ионосферной лаборатории „Янтарь11, отвечающий условиям длительного функционирования, расположен в области 100—400 км. Однако существует еще участок траектории снижения, который также может эффективно использоваться перспективными орбитальными аппаратами, поэтому в целях наиболее
полного анализа возможностей лаборатории необходимо рассмотреть параметры атмосферы и на этом участке, включая область, расположенную ниже уровня высоты устойчивой работы плазменно-ионного двигателя.
Исходя из характера изменения температуры с высотой в верхних слоях атмосферы обычно выделяются области, расположенные приблизительно от 50 до 80—85 км (мезосфера) и выше этого уровня — примерно до 400—500 км (термосфера). Практически во всей области термосферы имеет место положительный температурный градиент от минимального значения температуры вблизи 80 км, который постепенно убывает, так что выше 250—400 км (в зависимости от уровня солнечной активности) атмосфера постепенно становится изотермической.
Результаты измерений плотности и температуры для высот 50—80 км, полученные при метеорологическом зондировании [4] в средних широтах, представлены на фиг. 1 и 2. Заметим, что с точки зрения основной (широтной и сезонной) зависимости полей термодинамических параметров атмосферы, эти данные должны рассматриваться как влияющие на исследования, проводимые лабораторией „Янтарь“. Для сравнения на фиг. 1 нанесена кривая из Справочной атмосферы КОСПАР (модель 1965 г.) [5]. Данные модели США-19б5 представляют собой средние значения для полушария за год. На той же фигуре приведена кривая температуры, являющаяся советским предложением по проекту моделей международной стандартной атмосферы, которую следует рассматривать как наиболее вероятное распределение для северного полушария за год. Эта кривая получена из рассмотрения всей совокупности данных, опубликованных к настоящему времени.
В том же интервале высот 50—80 км с помощью ракет измерялась концентрация положительных ионов, и результаты, относящиеся к средним широтам, основанные на публикациях [6, 7], представлены на фиг. 3. Здесь следует принимать во внимание, что
ниже уровня 50—60 км нейт-
Н[хм]
в,0
60
Ь0.
ральность атмосферы обеспечивается равенством концентраций положительных и отрицательных ионов, однако
И[нм]
150
200
250 Г[аН]
1 — март 1966 г. (термометр сопротивления); 2, 3, 4 — август 1965 г., март 1966 г., октябрь 1966 г. соответственно (вычислено по распределению плотности); 5 — СЩА-65; 6 — предлагаемая международная стандартная атмосфера
Фиг. 1. Распределение температуры
1 — август 1965 г. (один полет); 2 — октябрь 1966 г. (три полета); 3 — март 1966 г. (два полета)
Фиг. 2. Распределение плотности
выше появляются свободные электроны. По мере увеличения высоты количество электронов быстро увеличивается и растет их роль в обеспечении нейтральности атмосферы. Распределение и природа заряженных частиц в указанном интервале высот, а главное, изменчивость их профилей во времени могут играть
определенную роль в динамическом режиме полета лаборатории „Ян-тарь“ и, несомненно, окажут влияние на собственный электрический заряд аппарата. Последнее обстоятельство следует иметь в виду при интерпретации показаний приборов, установленных на лаборатории „Янтарь".
Наиболее важное значение для функционирования лаборатории „Янтарь" имеет состояние атмосферы на высотах, где возможна устойчивая работа плазменно-ионных двигателей, т. е. в интервале высот 100—400 км. Однако объем фактических данных о состоянии атмосферы начиная с высоты 80 км и примерно до 150 км недостаточен. Между тем выше 80 км атмосфера обладает большей изменчивостью, характер которой изучен пока не полностью. На высоте между 105 и 120 км располагается область диффузионно-гравитационного разделения газов, и вплоть до этого уровня (а возможно выше) проявляется интенсивное влияние турбулентности. Выше 80 км (примерно до 200 км) зарегистрированы ветры со скоростью порядка 100—150м/сек, происхождение которых, по-видимому, связано с макроскопическими процессами крупномасштабной циркуляции в термосфере. Регулярность причин, вызывающих изменчивость ниже уровня турбопаузы, проявляется слабее, чем в термосфере выше 120 км. Одним из наиболее регулярных факторов являются атмосферные приливы. Влияние солнечной активности в мезосфере и нижних слоях термосферы „смазывается" собственными динамическими процессами, контролируемыми лежащей ниже массой атмосферы.
Наиболее отчетливо регулярность причин изменчивости состояния атмосферы выражена в области 120—400 км. Состояние атмосферы на этих высотах по существу целиком определяется непосредственным воздействием солнечного коротковолнового излучения, которое „вносит" основной энергетический вклад. Оно приводит к разнообразным фотохимическим превращениям, сопровождаемым процессами теплообмена за счет молекулярной диффузии, теплопроводности и излучения. Определенную роль играют также атмосферные приливы, по-видимому, оказывающие влияние на вариации с суточным и полусуточным циклами.
Для области высот примерно от 150 до 400 км существует обширный экспериментальный материал, полученный почти целиком по данным о торможении искусственных спутников Земли. На этих данных основываются в настоящее время существующие представления как о структуре термосферы, так и о ее динамике. Результаты обширных исследований термосферы в этом диапазоне высот, основанные на изучении эволюции орбит спутников „Космос" и „Протон", содержатся в работах [8, 9].
Динамический характер термосферы отчетливо проявляется
Н[лм]
Фиг. 3. Типичное распределение концентрации положительных ионов по высоте для средних широт
в разнообразных вариациях структурных параметров, зависящих прежде всего от состояния солнечной и геомагнитной активности и времени суток. Наиболее заметные изменения по плотности (на высоте 200 км — до двух раз, на 400 км — до нескольких десятков раз) термосфера претерпевает в течение 11-летнего солнечного цикла. При этом наименьшие значения температуры и плотности достигаются в условиях минимальной солнечной активности. С изменением активности в течение солнечного цикла изменяется и глубина суточных вариаций, от фактора 1 — 1,5 на 200 км до фактора 4—5 на 400 км. В области 150—
400 км весьма эффективно проявляются также полугодовые вариации, величина которых может превышать суточные колебания плотности на высотах 200—300 км. Определенное влияние оказывают также вариации термосферы с 27-дневным циклом.
Кратковременные возрастания температуры и плотности во время геомагнитных возмущений могут достигать в зависимости от величины планетного геомагнитного индекса соответственно нескольких сот градусов и нескольких раз.
Из сказанного ясно, что атмосферу в наиболее интересном для рассматриваемых вопросов интервале высот невозможно корректно описать в рамках статической модели. Из существующих моделей наиболее удовлетворительными следует считать справочную атмосферу КОСПАР (модель 1965 г.) [5] и проект новой модели (США-1970, [10]). Регулярная обработка данных о торможении спутников показывает, что эти модели в целом соответствуют экспериментальным результатам по абсолютным значениям параметров и их возможным отклонениям в зависимости от определяющих факторов. Из них важнейшим является фактический уровень солнечной активности, в качестве индекса которой условно принят поток солнечного дециметрового радиоизлучения на волне 10,7 см.
Примерные параметры атмосферы на указанных высотах по данным [5] представлены на фиг. 4 и 5, которые характеризуют некоторую модель в виде средних распределений плотности и температуры по высоте и пределы их предполагаемых изменений. Под температурой здесь подразумевается температура нейтральных компонентов атмосферы. Отличие температуры электронов от температуры нейтральных частиц начинает становиться наиболее заметным выше 300—400 км, сильно изменяясь в течение суток и с изменением солнечной деятельности. В области ниже 300 км температуру ионов можно считать практически совпадающей с температурой нейтральной атмосферы.
Перечисленные модели хотя и отличаются по подходу к расчету высотных профилей параметров, по существу являются эмпирическими. Попытка теоретического описания атмосферы на высотах 120^400 км сталкивается пока с целым рядом серьезных
Фиг. 4. Модель распределения плотности атмосферы. Средняя кривая и предполагаемые экстремальные отклонения
трудностей, требует постановки специальных лабораторных экспериментов в совокупности с различными теоретическими концепциями, относящимися прежде всего к фотохимии атмосферы. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии (макроскопические) сильно отличаются от используемых для описания малых высот [11]. Задача дополнительно усложняется при учете влияния заряженной компоненты в ионосфере, поскольку требует рассмотрения уравнений для слабоионизованной плазмы. Вместе с тем только на этом пути можно ожидать наиболее полного описания структуры и динамики термосферы и понимания природы важнейших вариаций.
Фиг. 5. Модель распределения температуры атмосферы. Средняя кривая и предполагаемые экстремальные отклонения
Поэтому детальное теоретическое рассмотрение состояния атмосферы в области 120—400 км представляет самостоятельный интерес и заслуживает серьезного внимания.
Измерение внешнего давления в полете лаборатории „Янтарь*. Внешнее давление в зоне установки плазменно-ионного двигателя автоматической ионосферной лаборатории „Янтарь" измерялось с помощью двух ионизационных манометров.
Схема включения манометров в телеметрическую систему описана в [2]. Измерение коллекторного тока ионизационных манометров, пропорционального измеряемому давлению, и питание цепей манометров необходимыми напряжениями осуществлялось с помощью аппаратуры, включающей в себя чувствительные широкодиапазонные усилители. Блок-схема аппаратуры представлена на фиг. 6. Требуемый динамический диапазон каждого ее усилителя, равный 104, обеспечивается диапазонированием — скачкообразным изменением чувствительности и применением способа дежурных диапазонов.
Структурно-функциональная схема усилителя изображена на фиг. 7. Он состоит из четырех усилительных ячеек У, — У4, причем входные каскады ячеек К, и К3 выполнены на электрометрических лампах, обеспечивающих необходимую чувствительность аппаратуры к измеряемому коллекторному току манометров. Скачкообразный переход от измерения с помощью усилительных ячеек К4—У3 к измерению с помощью ячеек — У! происходит в результате шунтирования входных резисторов /?1 и /?2 резистором /?4, наступающего в результате резкого снижения входного Сопротив-
ления усилительной ячейки У3 при определенном значении входного сигнала.
На фиг. 7, б представлены передаточные характеристики обоих типов усилительных ячеек (К4, У3 и Уг, У4) в функции входного напряжения и общая передаточная характеристика измерительного усилителя в функции входного тока.
Измеренные величины давления в области плазменно-ионного двигателя в функции высоты полета на этапе спуска автоматической ионосферной лаборатории „Ян-тарь“ приведены на фиг. 8.
Как уже было отмечено в [2], при входе лаборатории в плотные слои атмосферы возрастание давления сопровождалось некоторыми колебаниями.
Результаты полета лаборатории „Янтарь* с плазменно-ионным двигателем на воздухе. Геофизическая ракета вывела автоматическую ионосферную лабораторию „Янтарь" на баллистическую траекторию с максимальной высотой около 370 км. Первое включение плазменноионного двигателя без подачи высокого напряжения бы-
Фиг. 7
Фиг. 6
Фиг. 8
ло осуществлено на восходящей ветви траектории для предварительного прогрева и обезгаживания. Была реализована полная программа проведения эксперимента. Плазменно-ионный двигатель с ускоряющим напряжением около 2800 в работал устойчиво, затем был автоматически выключен при входе в относительно плотные слои атмосферы на высоте около 100 км.
В таблице приведены результаты, полученные во время полетов лабораторий „Янтарь“ с плазменно-ионными двигателями на аргоне, азоте и воздухе. Плазменно-ионный двигатель на воздухе работал с ускоряющим напряжением 2800 в, что соответствует
Параметр Аргон Азот Воздух
Ускоряющее напряжение и [в] 300 2100-2200 2800
Скорость реактивной ионной струи V [км/сек] 40 120 140
Е\ [в/см] 15 10 8-20
Е2 [в/см] — 2-3 1-2
Ь [«] СП 0 1 -VI о 100—200 50-300
?2 [в] — 5-10 3-8
скорости ионной струи, равной 140 км/сек. Напряженность электрического поля Е1 при работе термоэмиссионного нейтрализатора составляла 8—20 в/см\ соответствующая величина потенциала корпуса лаборатории <?,, определенная по измеренным значениям напряженности электрического поля Е и плотности ионного тока на поверхности лаборатории у, находилось в диапазоне 50—300 в (до 11% величины ускоряющего напряжения). При работе плазменного нейтрализатора напряженность поля Е2 снижалась до уровня 1—2 в/см; соответствующие величины потенциала корпуса <р3, определенные как по измеренным значениям Е и /, так и по энергии ионов, не превышали 8 в, что составляет менее 0,3% величины ускоряющего напряжения.
Измеренное в полете распределение токов показывает, что токи утечки (на ускоряющий электрод и корпус лаборатории) составляют менее 4% и примерно 96% суммарного тока составляет ионный ток, компенсируемый электронами с нейтрализаторов.
Таким образом, при работе плазменно-ионного двигателя на воздухе в условиях полета в ионосфере происходила эффективная нейтрализация ионной реактивной струи, потенциал корпуса лаборатории „Янтарь" относительно границы ионосферной плазмы в процессе работы двигателя с плазменным нейтрализатором не превышал 8 в, что составляет менее 0,3% величины ускоряющего напряжения. Плазменно-ионный двигатель работал устойчиво во всем диапазоне высот полета (100—370 км), скорость истечения ионной реактивной струи при этом достигала 140 км/сек.
Исследования, проведенные в натурных ионосферных условиях, на автоматических ионосферных лабораториях „Янтарь" показали, что газовые плазменно-ионные двигатели надежно работают в этих условиях на высотах 100—400 км при скоростях истечения ионной
реактивной струи до 140 км/сек и эффективной нейтрализации ионной струи электронами, генерируемыми плазменными нейтрализаторами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гродзовский Г. Л., Дюкалов А. Н., КравцевН. Ф., М а р о в М. Я., Н и к и т и н В. Е., Петунии А. Н., С и м о н о в Л. А., Уткин В. В. Научные результаты полета автоматической ионосферной лаборатории „Янтарь-1 „Космические исследования", т. VI, вып. 6, 1968.
2. Арцимович Л. А., Гродзовский Г. Л., Данилов Ю. И., Захаров В. М., Кравцев Н. Ф., Кузьмин Р. Н., Маров М. Я., Морозов П. М., Н и к и т и и В. Е., ПетунинА. Н., Уткин В. В., Чу лев В. М., Швидковский Е. Г. Научные результаты полета автоматических ионосферных лабораторий „Янтарь“. „Ученые записки ЦАГИ“, т. I, № 3, 1970.
3. Ионов Н. И. Исследование газоразрядной и космической плазмы с помощью многоэлектродных зондов. ЖТФ, т. XXXIV, вып. 5, 1964.
4. П е р о в С. П., Ф е д ын с к и й А. В. Ракетные измерения некоторых параметров атмосферы. „Метеорология и гидрология", 1968, №1.
5. COSPAR International Reference Atmosphere, 1965, CIRA-1965. Amsterdam, 1965.
6. Брагин Ю. А. Прямые измерения концентрации заряженных частиц в стратосфере и мезосфере. „Космические исследования", т. III, вып. 1, 1965.
7. Швидковский Е. Г., Б р а г и н Ю. А., Костко О. К. Ионизация нижней атмосферы. Труды Центральной аэрологической обсерватории, 1970, № 100.
8. Marow М. Ya. Density of the upper atmosphere. Ann. Geophus, t. 22, n° 1, 1966.
9. M a p о в М. Я. О температуре и плотности термосферы в период глубокого минимума солнечной активности. „Космические исследования", т. IV, вып. 1, 110, 1968.
10. Ya се hi a L. Q. New static models of the ihermosphere and exosphere with empirial temperature profile. Smithsonian Astrophys. Obs. Sp. Rep., 313, 1970.
11. Ивановский А. И., Репнев А. И., Швидковский E. Г. Кинетическая теория верхней атмосферы. Л., Гидро-метеоиздат, 1967.
Рукопись поступила 21 /VIII 1910 г.
5—Ученые записки № 2
65
