Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007
.pdf
На борту спутника установлена оптико-электронная аппаратура (ОЭП), предназначенная для фотографирования подстилающей поверхности (рис. 6.6). Основные характеристики оптической системы и электронной системы приема и преобразования оптической информации приведены ниже.
Рис. 6.6. Основные режимы работы бортовой целевой аппаратуры КА «Ресурс-ДК» № 1. Фотографирование подстилающей поверхности
Основные характеристики оптической системы «Геотон Л1»
Диаметр входного зрачка, м....................................................... |
0,5 |
Фокусное расстояние, м.............................................................. |
4 |
Тип оптической системы............................................................. |
Линзовая |
Размер поля изображения, мм.................................................... |
324 |
Относительное отверстие (D/F) ................................................. |
1/8 |
Расстояние между продольными осями ОЭП, мм.................. |
85 |
Диапазон высот наблюдения, км............................................... |
от 350 до 630 |
Высота Солнца над местным горизонтом, град...................... |
от 10 до 90 |
Рабочий угол поля зрения, град................................................. |
2β = 4,64 |
Основные характеристики электронной системы приема |
|
и преобразования информации «Сангур-1» |
|
Тип фотоприемника............................................................................ |
ПЗС ВЗН |
Размер фоточувствительного элемента, мкм.......................................... |
g × g |
111
Количество ОЭП................................................................................................. |
|
3 |
Количество чувствительных элементов в каждом ОЭП..................... |
|
36000 |
Количество зон компенсации для каждого ОЭП.......................................... |
|
6 |
Количество матриц в каждой зоне компенсации.......................................... |
|
6 |
Количество чувствительных элементов в матрице................................ |
|
1024 |
Количество одновременно работающих ОЭП................................. |
от 1 до 3 |
|
Информационная производительность |
|
|
(число пикселей изображения в секунду) ...................................... |
10,2 × 108 |
|
Линейное поле зрения для каждого ОЭП, мм.......................................... |
|
324 |
Угол захвата зоны компенсации ОЭП, град ............................................ |
|
0,77 |
Число шагов накопления......................................................... |
128, 64, 32, 16,8 |
|
Коэффициент сжатия................................................................................ |
|
1, 2, 4 |
Суммарное время съемки каждым ОЭП, ч ............................................... |
|
500 |
Максимальный выходной поток с каждого ОЭП, Мбит /с |
.................. |
1440 |
Основные тактико-технические характеристики |
|
|
и показатели целевого использования КА «Ресурс-ДК» № 1 |
||
Разрешение на местности с вероятностью |
|
|
Р = 0,7 при съемке с высоты Н = 350 км в |
|
|
надире в нормированных условиях (угол |
|
|
Солнца над местным горизонтом 30°; коэф- |
|
|
фициент контраста тест-объектов на мест- |
|
|
ности 0,2–0,3; коэффициент минимальной |
|
|
яркости ландшафта 0,07; потери контраста в |
|
|
атмосфере 30%), м: |
|
|
в панхроматическом диапазоне................................................... |
не хуже 1,0 |
|
в узких спектральных диапазонах............................................. |
от 2,0 до 3,0 |
|
Спектральные диапазоны, мкм: |
|
|
панхроматический диапазон..................................................... |
от 0,58 до 0,8 |
|
узкие спектральные диапазоны.................................................. |
от 0,5 до 0,6 |
|
|
от 0,6 до 0,7 |
|
|
от 0,7 до 0,8 |
|
Количество узких спектральных диапазонов................................................... |
|
3 |
Количество спектральных диапазонов, снимаемых одновременно ......... |
1–3 |
|
Полоса захвата с Н = 350 км (при съемке в надир), км.............. |
от 4,7 до 28,3 |
|
Полоса захвата с Н = 350 км |
|
|
(с учетом отворота КА по крену :t300), км .......................................... |
|
до 40 |
Полоса обзора с Н = 350 км |
|
|
(с учетом отворота КА по крену :t300), км ............................................. |
|
448 |
Периодичность наблюдения, сут........................................................................ |
|
6 |
Повторяемость трассы полета КА, сут. ............................................................. |
|
6 |
112
Скорость передачи данных по радиолинии, Мбит/с |
..................... |
75, 150,300 |
Оперативность передачи информации, ч: |
|
|
при съемке в пределах радиовидимости ППИ............. |
Реальный масштаб |
|
|
|
времени (РМВ) |
при глобальном наблюдении с использованием |
|
|
запоминающего устройства.................................................. |
|
от РМВ до 13 ч |
Диапазон широт доступных для съемки |
|
|
районов, град................................................................... |
72,5° ю.ш. – 72,50° с.ш. |
|
Максимальная емкость запоминающего устройства, Гбит........................ |
768 |
|
Производительность максимальная в сутки, приведенная |
|
|
к уровню сжатия 1 бит/выборку, млн км2 ...................................................... |
|
1,0 |
Длительность интервалов наблюдения, с.................................................. |
|
2–300 |
Максимальная длительность интервала от первого |
|
|
до последнего маршрута съемки на витке, мин............................................. |
|
40 |
Максимальное количество маршрутов съемки на витке.............................. |
30 |
|
Среднее количество маршрутов съемки в сутки.......................................... |
|
150 |
Срок активного существования КА, год ........................................................... |
|
3 |
Масса КА, кг..................................................................................................... |
|
6570 |
Информация с оптико-электронных приборов, научной аппаратуры «Памела» и «Арина» поступает в бортовое запоминающее устройство, накапливается, формируется для передачи по радиоканалу на Землю (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Функциональная схема бортовой аппаратуры по сбору, накоплению и передаче информации
113
Передача информации осуществляется несколько раз в сутки (до шести раз) при прохождении КА «Ресурс-ДК» № 1 над приемной станцией, расположенной в Отрадном (Москва), по радиоканалу со скоростью 75, 150 или 300 Мбит/с.
Наземный комплекс принимает передаваемую информацию (рис. 6.8), на семиметровую радиоантенну. Подчеркнем, что антенны с подобными характеристиками являются типичными и установлены на ряде станций в России, например, в ХантыМансийске. Далее информация обрабатывается, анализируется и передается потребителям.
Рис. 6.8. Внешний вид антенного устройства комплекса ПК-7
Основные характеристики комплекса ПК-7 |
|
Диаметр зеркала антенны, м............................................................................. |
7 |
Количество каналов приема ............................................................................. |
2 |
Поляризация.............................................................. |
Правая и левая круговая |
Кинематическая схема антенны.......................... |
Азимутально-угломестная |
114
Рабочая скорость, град/с: |
|
по азимуту.............................................................................................. |
до 12 |
по углу места........................................................................................... |
до 3 |
Наведение антенны................................................. |
Программное (от ПЭВМ) |
|
автосопровождение |
(по принимаемому с КА сигналу) |
|
Ошибка наведения на КА. угл. мин ............................................................ |
± 2 |
Сканирование диаграммы направленности.............................. |
Электронное |
Рабочая частота приема |
|
по каждому каналу................................................. |
Оперативно и независимо |
|
перестраиваемая в |
пределах 8,025-8,4 ГГц (с шагом 50 кГц) |
|
Модуляция.................................................................................... |
ОФМ, ДОФМ |
Скорость приема информации по каждому каналу |
|
(задается от ПЭВМ), Мбит/с: |
|
при ОФМ........................................................................................ |
от 4 до 75 |
при ДОФМ................................................................................... |
от 8 до 150 |
Вероятность искажения информации............................ |
не более10–6 на бит |
Шумовая температура приемника, К..................................................... |
50–60 |
Декодер и кадровый синхронизатор............................... |
Программируемые |
Регистрация информации..................................... |
На жестких дисках ПЭВМ |
Скорость регистрации ............................................................. |
В темпе приема |
Формирование сигналов точного времени................. |
На базе системы GPS |
Контрольный тракт................................................ |
По сечениям: цифровому, |
по промежуточной и несущей частоте
Аппаратура для проведения дистанционных измерений Земли устанавливается, как правило, в нижней полусфере конструкций космических аппаратов, верхняя полусфера свободна. Это позволяет одновременно использовать космические аппараты для установки приборов ДЗЗ и научной аппаратуры, с помощью которой регистрируется излучение, приходящее из космического пространства. Хорошим примером подобного двойного использования (успешного совмещения) спутников является ИСЗ «Ресурс-ДК1», на котором установлены оптико-электронная система и прецизионный магнитный спектрометр «Памела» (рис. 6.9), созданный в рамках Международного российско-итальянского проекта РИМПАМЕЛА. Прибор предназначен для измерения потоков частиц и античастиц в первичном космическом излучении.
115
Рис 6.9. Физическая схема магнитного спектрометра «Памела»: 1, 3, 7 – сцинтилляционная времяпролетная система; 2 – детектор переходного излучения; 4 – сцинтилляционная охранная система; 5 – полупроводниковая стриповая координатная система (шесть двойных слоев); 6 – магнитная система (пять секций); 8 – полупроводниковый стриповый пози- ционно-чувствительный калориметр; 9 – нижний сцинтилляционный детектор; 10 – нейтронный детектор; 11 – гермоконтейнер
Основные характеристики магнитного спектрометра «ПАМЕЛА»
Геометрический фактор, см–2 ср–1 ............................................................... |
21 |
Диапазон энергий: |
|
протоны, антипротоны, ГэВ ......................................................... |
0,08–200 |
электроны, позитроны, ГэВ..................................... |
0,05–300 (до 1013 эВ) |
ядра, антиядра, ГэВ/нуклон............................................................ |
0,1–200 |
Максимальный измеряемый импульс, ГэВ/с............................................ |
740 |
Пространственное разрешение трекера, мкм ................................................ |
4 |
Толщина калориметра, г/см2.................................................. |
50 г/см2 = 16 Х0 |
Индукция магнитного поля, Тл.................................................................. |
0,48 |
116 |
|
Объем памяти (число запоминаемых событий) ....... |
4 Гбайт (106 событий) |
Габаритные размеры |
|
(с нейтронным детектором), см ................................................. |
90 × 90 × 105 |
|
(90 × 90 × 122) |
Масса (масса с нейтронным детектором), кг............................................ |
440 |
Энергопотребление, Вт ................................................................................ |
355 |
Работа с данными НК «Памела»
Рис. 6.10. Структура наземного комплекса «Памела»
Кроме того, на борту установлен сцинтилляционный телескоп «Арина» (см. рис. 8.10) с помощью которого изучается возможность прогноза землетрясений из космоса.
На рис. 6.10 представлен наземный комплекс НК «Памела», расположенный на базе станции приема информации с ИСЗ «Ре- сурс-ДК» № 1 (Отрадное, Москва), где осуществляются экспрессобработка, анализ и планирование предстоящих измерений, а также схема передачи информации участникам экспериментов и обмена научными результатами.
117
Структура наземного комплекса «Памела» мало отличается от структуры наземного комплекса, обслуживающего дистанционный мониторинг радиационного загрязнения, и может рассматриваться как типовой объект для наземных структур.
Отметим, что и магнитный спектрометр и сцинтилляционный телескоп используются также для прецизионных измерений потоков заряженных частиц в околоземном космическом пространстве. Эти измерения необходимы и для оценки радиационных условий при проведении ДЗЗ из космоса (см. гл. 4, п. 4.4).
Литература
1.Мещеряков И.В. В мире космонавтики. Н. Новгород: «Русский купец и братья славяне», 1996.
2.Космический комплекс «Ресурс-ДК» № 1: Справочные материалы. Вып. 3 / Под ред. Ю.И. Носенко. М.: Маджерик, 2006.
3.PAMELA-A payload for antimatter matter exploration and Lightnuclei astrophysics. / P. Picozza, A.M. Galper et all. // Astroparticle Physics 27 (2007). Р. 296–315.
118
ГЛАВА 7. МОНИТОРИНГ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
В данной главе рассмотрены основные задачи ядерного мониторинга КА, проведен анализ энергетических установок (ЭУ) для КА, в которых используются радиоактивные и делящиеся материалы (РДМ), описаны активные и пассивные методы их обнаружения и идентификации, дано кратное описание основных приборов для регистрации гамманейтронного излучения.
7.1.Задачи ядерного мониторинга КА
Скаждым годом растет число аппаратов, работающих в околоземном космическом пространстве. Это – навигационные, метеорологические, телевизионные, ретрансляционные, научно-исследо- вательские и другие спутники. Их общее количество сегодня уже исчисляется сотнями.
В качестве источников энергии на большинстве КА используются солнечные, аккумуляторные батареи и топливные элементы, которые обеспечивают электрическую мощность от нескольких до десятков киловатт (в зависимости от их размеров).
Однако бурное развитие космической техники требует увеличения мощности источников энергии и длительности их функционирования в десятки и сотни раз. Среди альтернативных источников энергии для КА одно из первых мест сегодня занимают установки, использующие радиоактивные и ядерные материалы (радиоизотопные источники энергии (РИЭ) и ядерно-энергетические установки (ЯЭУ)).
По сравнению с другими источниками энергии РИЭ обладают рядом преимуществ: автономность, компактность и, самое главное, громадная энергоемкость. По массовой и объемной энергоемкости радиоактивный распад используемых изотопов уступает лишь делению ядер урана или плутония (почти в 50 раз) и превосходит химические источники (аккумуляторы, топливные элементы
идр.) в десятки и сотни тысяч раз.
Использование ЯЭУ существенно повышают характеристики КА и значительно расширяют их возможности. Ядерный реактор
119
позволяет обеспечить КА необходимой энергией в течение длительного времени, вплоть до несколько десятков лет.
Разработка и испытания РИЭ и ЯЭУ для КА начались в середине двадцатого века практически одновременно в США и Советском Союзе. На сегодняшний день проведены десятки запусков КА с ядерными энергетическими установками и радиоизотопными генераторными системами. Исследования в этих областях проводятся весьма интенсивно, и нет оснований сомневаться, что ядерные установки будут и далее использоваться для энергетического обеспечения КА.
Несмотря на то что ЯЭУ имеют огромные энергетические возможности для КА, следует все же отметить, что выведение на околоземную орбиту энергетических установок, содержащих радиоактивные и делящиеся материалы, приводит к увеличению риска глобального радиационного загрязнения атмосферы и поверхности Земли, которое может произойти в результате аварии на КА. Для уменьшения этого риска на КА предусмотрены системы аварийной отстыковки ядерного энергетического блока и отправки его на орбиту временного захоронения с высотой около 1000 км, на которой ЯЭУ могут находиться в течение нескольких сотен лет.
Однако разработанные системы спасения энергетических установок на КА не всегда способны обеспечить стопроцентную безопасность. Так, например, в 1964 году американский спутник «Транзит» с радиоизотопным генератором при запуске потерпел аварию и сгорел в атмосфере над Индийским океаном. При этом над Землей было рассеяно более 950 граммов Pu-238. По оценкам специалистов, это больше, чем в результате всех проведенных до того ядерных взрывов.
В 1978 году советский искусственный спутник Земли «Кос- мос-954» с ядерной энергетической установкой разрушился при входе в плотные слои атмосферы. Это привело к радиоактивному загрязнению около 100 тысяч квадратных километров территории Канады. Специальный анализ атмосферы в разных точках планеты в июне 1978 г. показал, что большая часть многотонной массы ИСЗ «Космос-954» испарилась и была рассеяна в атмосфере Земли, в том числе около 37 кг отработанного ядерного топлива.
Особую угрозу несет американский космический зонд «Кассини», запущенный в октябре 1997 года и имеющий на борту ядер-
120