Научная аппаратура НИИЯФ МГУ «РЭЛЕК» в сборке
Осенью этого года в космос будет запущена научная аппаратура «РЭЛЕК». Это комплекс приборов, разработанный и созданный учёными НИИЯФ МГУ. О проекте проведения экспериментального исследования с помощью научной аппаратуры «РЭЛЕК» рассказал доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Сергей Игоревич Свертилов.
- Сергей Игоревич, с какой целью будет запущен в ближний космос комплекс научных приборов «РЭЛЕК» (Релятивистские ЭЛЕКтроны)?
- Во-первых, для изучения высыпаний релятивистских электронов из областей околоземного пространства. Такие области называются радиационными поясами, которые содержат заряженные частицы, захваченные магнитным полем Земли. Релятивистские электроны - это электроны высоких энергий более сотен килоэлектронвольт. В силу определённых причин эти электроны высыпаются, то есть выходят из радиационных поясов, и, попадая в верхний слой атмосферы, теряют энергию.
Во-вторых, для изучения нового явления - высотных электрических разрядов. В отличие от обычной молнии, этот разряд бьёт между высоко расположенными облаками или из таких облаков вверх в ионосферу. Подобные разряды могут вызывать кратковременное свечение в верхней атмосфере – так называемые атмосферные транзиентные явления. Они подразделяются по внешнему виду на спрайты, голубые струи, эльфы...
В-третьих, мы хотим изучить не только отдельно сами явления - высыпания электронов и высотные разряды, но и исследовать их в комплексе: узнать - есть ли между ними связь. Я думаю, что если связь есть, то косвенная. Высыпания электронов могут создавать условия для возникновения высотных электрических разрядов, внося дополнительный электрический заряд в верхнюю атмосферу.
- Какое научное и прикладное значение имеет изучение высыпающихся электронов?
- Имеет научное значение, поскольку это своего рода модель того, что может происходить во Вселенной. Тут, у нас под боком, можно сказать, природная космическая лаборатория, где можно изучать процесс ускорения электронов в электромагнитных полях. Интересно будет узнать, почему работают природные ускорители. Казалось бы, согласно термодинамике все процессы в природе должны стремиться к равновесию, а тут вдруг работают ускорители! Вот, например, потратили на Большой адронный коллайдер десятки миллиардов евро и достигли эквивалентной энергии 1017 эВ в лабораторной системе отчёта. А в природе частицы космических лучей достигают энергии вплоть до 1020 эВ совершенно бесплатно! Почему так?
Второе научное значение – узнать, почему происходят высыпания. Имеются разные точки зрения, но найти ответ на этот вопрос – одна из задач наших исследований.
Прикладное значение в том, что высыпающиеся электроны могут воздействовать на космические аппараты. Ведь орбиты спутников Земли и МКС, а до этого и станции Мир, находятся под радиационными поясами, из которых высыпаются электроны. Их ещё называют электронами-киллерами: проникая насквозь, они представляют опасность для микросхем с высокой степенью интеграции. Это контроллеры, программируемая логика и так далее. А обычная электроника, например, транзисторы, усилители и тому подобное, более устойчива. Ей высыпания электронов не столь страшны. Её можно специально не защищать, достаточно кожуха прибора.
- Вы будете изучать явление с помощью научной аппаратуры, которое её губит. Интересно, как Вы защитили от этих электронов-киллеров «РЭЛЕК» и малый спутник, на котором он будет установлен?
- Очень тяжело защитить. Микросхема высокой интеграции, которую мы используем, находится в защитной коробке. Её толщина - несколько миллиметров. Этого достаточно, чтобы менее энергичные электроны застряли в материале защитной коробки, излучив при этом так называемые тормозные гамма-кванты, поражающее действие которых меньше. А что касается более энергичных электронов, способных проникать сквозь защитную коробку, то они встречаются редко. Но тут, как говорится, как повезёт. Если произойдет очень интенсивное высыпание и приборы выйдут из строя, мы надеемся, что они всё же успеют зарегистрировать эти гигантские потоки и для нас это будет хорошим результатом. И ещё, на такие случаи у нас микросхемы дублированы и некоторые даже затроированы. Одна микросхема выйдет из строя - другая вместо неё подключится.
- Какое научное и прикладное значение имеет изучение высотных атмосферных разрядов?
- Это явление совершенно новое для науки. По мощности оно очень большое, сопоставимо со взрывами водородных бомб. Бомба, сброшенная американцами на Хиросиму, - 25 килотонн, а здесь речь идёт о десятках мегатонн.
Прикладное значение в том, что явление действительно может сказываться на спутниках и даже на самолётах, хотя на таких больших высотах, где бывают высотные разряды, самолёты не летают. Но если самолёт окажется в 10-15 километрах от такого высотного разряда, то с большой вероятностью электромагнитный импульс, который возникает так же, как и при взрывах водородных бомб, запросто может убить всю электронику самолёта, и произойдёт авиакатастрофа. И такие случаи есть, когда ни с того ни с сего погибали самолёты.
- Почему на нас не сказывается действие мощного высотного разряда?
- Потому что вся энергия, направленная к Земле, уходит в основном в электромагнитное излучение, которое поглощается атмосферой. Поэтому регистрируют в основном излучение, которое распространяется вверх, то есть в область менее плотной атмосферы. Кстати, высотные разряды регистрируют в основном в приэкваториальных областях, там, где большая влажность. Это бассейн Амазонки, Карибские острова, экваториальная Африка, Индонезия…
- «РЭЛЕК» будет запущен в самый центр событий?
- Если бы мы имели возможность выбирать высоту, то мы бы выбрали траекторию с перицентром как можно ниже к Земле, но у орбиты спутника перицентр будет находиться достаточно высоко – около 600 километров. Вообще, для изучения высотных разрядов нам нужно быть ближе к Земле, а для изучения высыпаний нам нужно вылетать в область радиационных поясов. Но, к сожалению, у нас такой возможности нет. Наш аппарат идёт попутным запуском с космическим аппаратом «Метеор», у которого орбита определена, её высота 800 километров. Единственное, что обещает НПО имени Лавочкина - это орбиту 600 на 800 километров, поэтому в области максимальной концентрации электронов мы залетать не будем. Но это не страшно, так как они высыпаются из радиационных поясов и на более низкие высоты, распространяясь на большие расстояния.
- В чём уникальность научной аппаратуры «РЭЛЕК»?
- Мы в одном эксперименте впервые исследуем в комплексе разные явления: высотные разряды и высыпающиеся электроны. Кстати, ближайший по составу аппаратуры и задачам западный эксперимент планируется в 2014-15 году. Если мы эксперимент реализуем раньше, то будем лидерами.
- Расскажите о текущем состоянии проекта «РЭЛЕК»?
- Текущее состояние весьма драматичное, потому что мы должны лететь вместе с «Метеором». А его запуск назначен на 25 сентября этого года, поэтому наша задача – не позже середины июня поставить лётную аппаратуру в НПО имени Лавочкина. Чем мы сейчас, собственно, и занимаемся. Все силы на это бросаем.
Те приборы, которые делает НИИЯФ МГУ, а именно: детекторы электронов, а также жёсткого рентгеновского, гамма- и ультрафиолетового излучения, - готовы и сейчас находятся на стыковках с блоком электроники в Калуге. Комплекс приборов для регистрации электромагнитных излучений в области низких и высоких частот нам поставляет Институт космических исследований. Пока он полностью не готов.
- Сколько времени ушло на изготовление лётного образца «РЭЛЕК»?
- Проект идёт с 2008 года. Как всё это происходит? Сначала разрабатывается эскизный проект - описание того, что мы будем делать. Потом создаются макеты: габаритный, массовый, тепловой. Готовится документация. Затем создаётся технологический образец, который должен соответствовать лётному, но с поправкой, что если имеются идентичные приборы, то не обязательно делать все полностью эквивалентные лётному. Например, вместо четырёх одинаковых детекторов можно сделать один, заменив остальные имитаторами. Но по электронике технологический образец должен полностью соответствовать лётному. Он был поставлен нами в конце прошлого года в НПО имени Лавочкина, и они вели с технологическим образцом работы: испытывали и отрабатывали. Также были проведены очень жёсткие испытания – конструкторско-доводочные, чтобы выяснить насколько прибор сможет выдержать условия космического полёта. Вскоре лётный образец научной аппаратуры «РЭЛЕК» в НПО имени Лавочкина поставят на борт, осуществят стыковку, проверку, чтобы убедиться, что вся система работает.
- На борту какого спутника будет установлена научная аппаратура «РЭЛЕК»?
- «РЭЛЕК» будет установлен на борту малого космического аппарата для фундаментальных космических исследований № 2, который изготовил НПО имени Лавочкина. «РЭЛЕК» весит 60 килограмм, суммарная масса с бортовыми системами спутника около 200 килограмм. С такой малой массой отдельной ракетой никто спутник не запускает – очень дорого. Поэтому его ставят в качестве дополнительной полезной нагрузки на более тяжёлый аппарат, в данном случае на «Метеор». Таким образом, спутник будет выведен на орбиту, как попутный запуск.
- Через какое время будут получены результаты?
- Обычно после запуска уходит неделя на отладку аппарата и проверку бортовых систем. Через неделю включаем научную аппаратуру и где-то 2-3 месяца проводим лётно-комплексные испытания, то есть мы смотрим, как всё функционирует. Если всё работает нормально, то через 3 месяца мы переходим в штатный режим, когда начинаем получать регулярно информацию. По техническому заданию продолжительность эксперимента составляет 3 года.
- Расскажите об образовательной части проекта.
- Считается хорошим тоном, когда в научном проекте участвуют студенты. Сейчас над научной аппаратурой работают три студента. Они участвовали в разработке, изготовлении и создании «РЭЛЕК». Если эксперимент состоится, то преподаватели кафедры физики космоса будут использовать все полученные данные в учебном процессе МГУ.
Канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ В.В. Богомолов за испытаниями «РЭЛЕК»