Общие сведения о космическом аппарате «Университетский-Татьяна-2».

 

Основные характеристики КА «Университетский-Татьяна-2».

• полная масса –90 кг;
• масса полезной нагрузки – 20 кг;
• ориентация электромаховичная, трехосная: Земля – Солнце;
• точность ориентации на Землю – не хуже 15 угл. мин.;
• среднее потребление научной аппаратуры - около 25 Вт;
• объем передаваемой информации – до 100 Мбайт/сутки;
• общая мощность солнечных батарей в начале эксплуатации при перпендикулярном расположении панелей с фотопреобразователями к солнечным лучам составляет 150 Вт;
• расчетный срок активного существования на орбите составляет 1 год;
• коррекция параметров орбиты не предусмотрена.

 

Запуск КА «Университетский-Татьяна-2» осуществляется ракетой-носителем «Союз-2» с использованием разгонного блока «Фрегат» и обтекателя с космодрома Байконур.

Орбита КА «Университетский-Татьяна-2» околокруговая, со средней высотой 832 км, близкая к солнечносинхронной, широтностабилизированная по высоте. Начальный диапазон высот над поверхностью общеземного эллипсоида (820–846) км.

Ракета-носитель обеспечивает выведение со стартового комплекса космодрома Байконур головного блока (РБ «Фрегат» + КА) на опорную круговую орбиту со средней высотой примерно 200 км и наклонением 98.80 при запуске по базовой трассе, соответствующей наклонению 95.40. Разгонный блок «Фрегат» обеспечивает выведение КА «Университетский-Татьяна-2» с опорной орбиты на целевую.

Время старта РКН «Союз-2» – 18 ч .55.2 мин московского декретного времени независимо от календарной даты запуска – обеспечивает начальное значение долготы восходящего узла орбиты относительно прямого восхождения среднего Солнца 1340.

 

КА выводится на синхронно-солнечную орбиту:

• период обращения (драконический), Тдр = 101.30655 мин (6078.3921 с);
• средняя высота, Нэ = 832.22 (827-836) км;
• разброс высот над общеземным эллипсоидом, 815-850 км;
• наклонение, I = 98.786 град.;
• эксцентриситет, е = 0.00112;
• местное время на экваторе в восходящей части витка 8.93 часов;
• кратность – 14 суток, число витков в сутках -14.21429;
• длительность освещенной части витка – 74.5 мин.;
• долгота восходящего узла, отсчитанного от прямого восхождения среднего Солнца - 134 град;
• величина межвиткового интервала -25.327 град.

 

Полезная нагрузка	Разработчик-изготовитель	Энерго-потребление	Рабочий диапазон температур	Масса, кг
Спектрометр (МТЕL)	НИИЯФ МГУ	4 Вт	-5+40 С	4,24
Детектор УФиК (ДУФиК)		1,2 Вт	-5+40С	0,47
Детектор фона заряженного компонента (ФЗК)		1,5 Вт	-20+45С	0,96
Электронный блок (БИ)		2 Вт	-15+45С	1,73

 

КА представляет собой негерметичную четырехгранную призму, основанием которой является прямоугольник. На одной из граней призмы неподвижно закреплена солнечная батарея. Начало системы координат МКА находится в центре масс полностью собранного аппарата. Ось Z параллельна боковому ребру призмы. Ось Y перпендикулярна грани призмы с солнечной батареей. Ось Х дополняет систему до правой.

Рис. 1.1. Внешний вид КА КА «Университетский-Татьяна-2».

 

Рис. 1.2. Структурная схема расположения элементов (слева) и солнечная батарея (справа) КА «Университетский-Татьяна-2».

 
 

Наземный комплекс МГУ управления КА «Университетский-Татьяна-2»

• Станция приема научной и служебной телеметрической информации состоит из следующих блоков:
• станция управления КА.
• станции приема служебной телеметрии и управления КА, построенной на базе комплекта ДОКА-Н, разработки НИЛАКТ РОСТО (ДОСААФ) г. Калуги.
• станция приема научной информации АЛЬКОРСАТ-Татьяна-2 является оригинальной разработкой и обеспечивает прием научной информации в диапазоне 1.7 ГГц, со скоростью 665,4 Кбит/с.
• средства обработки научной телеметрической информации.
• средства представления полученных результатов.
• средства обеспечения учебно-научного процесса.

 

 

2. КОМПЛЕКС НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ «УНИВЕРСИТЕТСКИЙ-Татьяна-2»

Комплекс научной аппаратуры КА «Университетский-Татьяна-2» разработан в НИИЯФ МГУ им. М.В. Ломоносова в кооперации с консорциумом университетов Республики Корея и Автономным университетом провинции Пуэбла Мексики, а также научной аппаратуры Государственного фонда поддержки прогрессивных технологий и космических исследований. Комплекс научной аппаратуры предназначен для исследования вспышек электромагнитного излучения в верхней атмосфере, а также регистрации излучение в широком диапазоне длин волн, получать пространственно-временное изображение вспышки. Для изучения природы вспышек вместе с детекторами электромагнитного излучения используются детекторы заряженных частиц. Научная аппаратура подготовлена научными центрами - участниками научно-образовательной коллаборации. НИИЯФ МГУ осуществляет координацию научно-исследовательской работы.

 
 

 

Рис. 2.1. Научная аппаратура спутника «Университетский-Татьяна-2». Представлена сторона спутника, направленная к Земле. Телескоп «Т» и спектрометр «С» в составе прибора “MTEL” (на рис. нижний бокс с тремя окнами) , детектор флуктуаций потока заряженной компоненты «ФЗК» и детектор УФ и красного света «ДУФиК» (на рис. бокс над прибором “MTEL”).

 

2.1. Детектор ультрафиолетового и красного излучения (ДУФиК).
Детектор флуктуаций потока заряженной компоненты (ФЗК)

 

Научная аппаратура (НА) ДУФиК и ФЗК предназначена для изучения процессов, происходящих в околоземном космическом пространстве и в верхних слоях атмосферы Земли. С ее помощью регистрируются вариации потоков заряженных частиц на орбите спутника, свечение атмосферы Земли, возникающее при проникновении заряженных частиц в атмосферу, вспышечные явления природного (высотные электрические разряды) и, возможно, техногенного характера. НА позволяет измерять пространственную и временную структуру потоков заряженных частиц на орбите (с помощью ФЗК) и свечения атмосферы Земли в ультрафиолетовом (УФ) и красном диапазонах электромагнитного спектра (с помощью ДУФиК) . На рис. 2.2 в качестве иллюстрации взаимосвязи между параметрами магнитосферы и атмосферы Земли схематически показано проникновение заряженных частиц магнитосферы Земли в ее атмосферу.

Рис. 2.2. Земля в окружении магнитосферы.

 

На первом спутнике «Университетский-Татьяна» были изучено свечение атмосферы в диапазоне «ближнего» ультрафиолета (длины волн 300-400 нм), как в стационарном режиме (масштаб времени – время обращения спутника вокруг Земли), так и при изучении их кратковременных вариаций (транзиентные явления).

Помимо известного явления полярных сияний на высоких широтах на спутнике «Университетский-Татьяна» было замечено сравнительно слабое УФ свечение вблизи экватора (зеленые точки), рис. 2.3. Это свечение изменяется от витка к витку, но вместе с тем проявляется регулярно в двух полосах симметрично относительно экватора.

В другом диапазоне УФ (длины волн ~130-136 нм) такое свечение было замечено ранее на спутниках КОСМОС-215 и GUVI. Природа этого свечения пока неясна и необходимо дальнейшее накопление экспериментальных данных, как о свечении атмосферы, так и потоке заряженных частиц на орбите путника.

Рис. 2.3. Максимумы свечения атмосферы в диапазоне ближнего УФ (длины волн 300-400нм). Красные точки показывают моменты измерения УФ свечения в полярных областях. Зеленые точки- моменты измерения максимума свечения вблизи экватора. Интенсивность свечения вблизи экватора на порядок меньше, чем интенсивность свечения в полярных областях. Заштрихованные области показывают район наблюдения максимумов свечения, которые изменяют свое положение от витка к витку.

 

На спутнике «Университетский-Татьяна» были изучены кратковременные вспышки УФ свечения (время порядка миллисекунд). Эти вспышки оказались сконцентрированы вблизи экватора в корреляции с грозовыми атмосферными образованиями.

 

 

Рис. 2.4. На карте нанесены координаты зарегистрированных УФ вспышек.

 

Впервые на спутнике Университетский-Татьяна была обнаружена корреляция между частотой и яркостью УФ вспышек и фазой Луны (при полной луне яркие вспышки встречаются чаще).

Эти новые явления будут изучены с помощью более совершенных приборов на спутнике «Университетский-Татьяна-2».

Состав аппаратуры и основные технические характеристики.

Научная аппаратура ДУФиК и ФЗК состоит из:

• блока ДУФиК, предназначенного для регистрации свечения атмосферы в УФ и красном диапазонах и состоящего из двух фотодетекторов на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), один из которых закрыт фильтром, пропускающим излучение с длиной волны менее 400 нм, другой закрыт «красным» фильтром (длина волны более 600 нм); в состав блока входят также платы электроники, включая предусилители и программируемые логические интегральные микросхемы (ПЛИС), преобразователи напряжения для питания ФЭУ и элементов плат электроники;
• блока ФЗК (детектор флуктуаций потока заряженной компоненты), предназначенного для регистрации потока заряженных частиц («заряженной компоненты» космической радиации) и состоящего из детектора на основе пластмассового сцинтиллятора и ФЭУ, который принимает сигнал света, генерированного в сцинтилляционной пластине заряженными частицами. В состав блока входят также платы электроники, включая предусилители и программируемые логические интегральные микросхемы (ПЛИС), преобразователи напряжения для питания ФЭУ и элементов плат электроники.

Блоки научной аппаратуры соединяются между собой и с другими приборами комплекса научной аппаратуры и бортовыми системами объекта согласно схеме соединений (см. рис. 2.5.).

Рисунок 2.5. Схема общих соединений аппаратуры ДУФиК , ФЗК и БИ.

 

БЛОК ДУФиК.

Блок содержит два фотоэлектронных умножителя (ФЭУ), один из которых закрыт УФ фильтром и принимает сигналы в области длин волн 300-400 нм, а другой закрыт «красным» фильтром и принимает сигналы в области длин волн 600-700 нм. Режим работы этого детектора автоматический, он принимает сигналы от ФЭУ на два 10- битовых АЦП с частотой 100 КГц (временной шаг 10 мксек) и работает непрерывно с момента подачи команды «Вкл» управления спутником, однако информация для записи в оперативную память отбирается только при прохождении спутника на ночной стороне Земли. Такой режим достигнут благодаря применению обратной связи между сигналами, измеряемыми АЦП, и напряжением на ФЭУ. Запись в оперативную память начинается только тогда, когда напряжение на ФЭУ поднимается выше порога (при этом излучение от атмосферы становится ниже соответствующего порога).

Применяется два основных режима записи сигналов от АЦП:

а) режим мониторинга.

б) режим отбора транзиентных событий (ТС), в котором самые яркие события выбираются за цикл измерений в течение одной минуты.

Поскольку прибор ДУФиК записывает сигналы только на ночной стороне Земли (0,2 от времени суток) общий объем информации за сутки будет зависеть от сезона наблюдения и в среднем ожидается на уровне 1.5 Мбит в сутки.

БЛОК ФЗК.

Этот прибор содержит один ФЭУ, который принимает сигнал света, генерированного заряженными частицами, проходящими через сцинтилляционную пластину площадью 400 см2. Режим работы этого детектора автоматический, его АЦП принимает сигналы от ФЭУ с частотой 100 КГц и работает непрерывно с момента подачи команды «Вкл» управления спутником.

Также, как в предыдущем приборе, применяется два основных режима записи сигналов от АЦП: а) режим мониторинга и б) режим отбора транзиентных событий (ТС), в котором самые яркие события выбираются за цикл измерений в течение одной минуты.

Заметим, что в отличие от прибора ДУФиК прибор ФЗК производит запись событий не только на ночной стороне, но и на дневной стороне Земли, поэтому объем информации, передаваемой от ФЗК ожидается 3,4 Мбит в сутки.

На рис. 2.6 представлен состав приборов ФЗК и ДУФиК.
 

Рис. 2.6. Состав детекторов ФЗК и УФиК.

 

 БЛОК MTEL (Телескоп «Т» и спектрометр «С»). 

Телескоп «Т»: детектор изображения вспышки в УФ.

Общий размер прибора 500х75х120мм. Излучение принимается через 2 окна с полем зрения±20º каждое, расположенных на стороне размером 75х500 мм. Детектором изображения является 64-канальный ФЭУ, на катод которого фокусируется изображение, отраженное от микрозеркала. Используется два детектора изображения с двумя фокусными расстояниями между зеркалом и катодом ФЭУ: 9 и 30 см. Зеркало второго длиннофокусного телескопа управляется по технологии MEMS с учетом данных о направлении на полезное событие, отобранное первым телескопом. Таким путем достигается сочетание высокого разрешения детектора изображения (при работе длиннофокусного телескопа) с широким углом поиска полезных событий (при работе короткофокусного телескопа). Оптическая ось прибора должна быть направлена в надир. Вес прибора «Т» - 1.5кг, потребление - 2Вт, информативность - 15 Мбит/сутки.

С помощью телескопа «Т» будет выяснено, каков размер и форма пространственного распределения отдельных УФ вспышек , которые одновременно регистрируются детекторами ФЗК и ДУФиК.

Схема действия телескопа приведена на рис. 2.7. Более подробное описание телескопа см. Optic Express, 2009.

Рис. 2.7. Телескоп MTEL на базе MEMS- технологии. 

 

На рис. 2.8 показаны различные виды оптических транзиентных явлений, которые будет регистрировать телескоп.

 

 

Рис. 2.8 Иллюстрация работы телескопа «Т», находящегося на борту спутника и дающего изображение транзиентных явлений в атмосфере, происходящих далеко внизу.

Спектрометр «С».

Спектрометр состоит из многоанодного ФЭУ того же типа, что используется в телескопе «Т», окно которого разделено на 9 частей. Каждое окно имеет поле зрения, ограниченное коллиматором, равное полю зрения телескопа «Т». Одно из окон открыто, а 8 других закрыты фильтрами, выбирающими излучение в заданном диапазоне длин волн. Н рис. 2.9 показан состав спектрометра.

Спектрометр имеет то же поле зрения, что и телескоп «Т». Вес прибора - 1,5кг, потребление - 2Вт, информативность - 4 Мбит/сутки.

Рис. 2.9 Состав спектрометра «С». Многоанодный ФЭУ (черный блок), закрыт фильтрами. Перед фильтрами находится поворотное зеркало, необходимое для удобного расположения спектрометра в боксе MTEL.

 

На рис. 2.10 показаны диапазоны длин волн, пропускаеые выбранными фильтрами.

С помощью спектрометра будет изучаться спектральный состав вспышек, отобранных короткофокусным телескопом «Т». Данные о спектре излучения и изображение источника излучения в УФ диапазоне будет получено развернутым во времени с шагом 40 микросекунд, в области максимума вспышки и с более длинными шагами во времени до 0.1 сек в конце явления.

На рисунке 2.11 показано одно из ожидаемых транзиентных событий в атмосфере, наблюдаемое с помощью телескопа и спектрометра.

Новые приборы позволят разделить наблюдаемые транзиентные события на классы и проследить, как распределены на карте Земли события различного типа.

Будет выяснено, какие классы транзиентных событий связаны с фазой Луны, что поможет пониманию природы этой связи.

Рис.2.10. Диапазоны длин волн спектрометра.

Рис. 2.11. Пример ожидаемого транзиентного события. Верхний ряд – изображение во времени вспышки в атмосфере, шаг изображения 8 км (64 ячейки изображения). Нижний ряд- спектр излучения по 8 диапазонам, получаемый одновременно с изображением вспышки.

Одновременно с наблюдением транзентных событий в атмосфере с помощью детектора ФЗК будут измеряться вариации интенсивности потока заряженных частиц на орбите спутника и будет выяснена, существует ли связь между ними. На рис. 2.12 приведен возможный вариант одновременного наблюдения вспышки УФ излучения в атмосфере и «вспышки» потока электронов на орбите спутника.

Рис. 2.12. Возможный результат одновременного измерения профиля во времени интенсивности УФ (верхний рис.) и интенсивности потока электронов в детекторе ФЗК.

2.6. Блок сбора, хранения и передачи информации (БИ)

(информация готовится МГУ)
 

Информационный блок (БИ) служит для сбора целевой и телеметрической информации с приборов МГУ, ее хранения и последующей передачи её по запросу в бортовую систему передачи целевой информации и БКУ (только телеметрической информации), приема командно-программной информации по интерфейсам CAN2. БИ также обеспечивает подачу питания на приборы МГУ. Вес прибора – 2,0кг, потребление 1,5 Вт. ЗУ прибора энергонезависимое и должно обеспечивать хранение информации приборов МГУ, получаемой в течение не менее 5 суток.

Работа приборов МГУ осуществляется только над теневой поверхностью Земли, работа БИ, кроме того, обеспечивается в сеансах передачи информации (до 4-х сеансов в сутки продолжительностью (8-10) мин)