Прогнозирование влияния гелиогеофизических факторов на функционирование космических аппаратов
advertisement
Прогнозирование влияния гелиогеофизических факторов на функционирование космических аппаратов И.А. Скороходов, С.В. Тасенко, В.А. Чиженков, П.В. Шатов Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова, Москва Связь солнечной активности с функционированием КА Сбои и отказы F10,7 18 250 16 200 14 12 150 10 8 100 6 4 50 2 0 0 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 2 Влияние гелиогеофизических факторов на функционирование космических аппаратов Основные факторы воздействия: • Галактические космические лучи (ГКЛ); • Солнечные космические лучи (СКЛ); • Ионизирующее электромагнитное излучение (ИЭИ); • Радиационные пояса Земли (РПЗ); • Геомагнитные бури (ГМБ); • Геомагнитные суббури (ГМсБ) Космический аппарат «Электро-Л» 3 Последствия негативного воздействия гелиогеофизических факторов на космические системы Гелиогеофизические факторы Возникающие проблемы Галактические космические лучи • деградация материалов КА и в первую очередь солнечных батарей; • сбои в электронике бортовых систем Солнечные космические лучи • деградация материалов КА, в том числе солнечных батарей; • сбои в электронике бортовых систем Радиационные пояса Земли • электризация поверхности КА; • возникновение объёмного заряда внутри КА; • сбои в электронике бортовых систем Ионизирующее электромагнитное излучение • дополнительная ионизация ионосферы, приводящая к нарушениям связи с КА, увеличению навигационных ошибок систем ГЛОНАСС и GPS; • увеличение плотности верхней атмосферы, приводящее к изменению параметров движения КА Геомагнитные бури и суббури • нарушение связи с КА; • усиление влияния других факторов 4 Основные явления космической погоды Солнечные вспышки Выброс корональных масс (СМЕ) Коротирующая область взаимодействия 11-летний цикл солнечной активности 5 Влияние событий и явлений космической погоды на ГФФ События и явления космической погоды Геофизические факторы Солнечные вспышки •Солнечные космические лучи; •Ионизирующее электромагнитное излучение; Коротирующая область взаимодействия •Радиационные пояса Земли; •Геомагнитные бури и суббури; Выброс корональных масс (СМЕ) •Солнечные космические лучи; •Радиационные пояса Земли; •Геомагнитные бури и суббури; 11-летний цикл солнечной активности •Солнечные космические лучи; •Радиационные пояса Земли; •Ионизирующее электромагнитное излучение; •Геомагнитные бури и суббури; 6 Методы прогнозирования и диагностики неисправностей Аналитические: Статистические: • Анализ помеховой обстановки; • Анализ степени заряженности КА по замыканиям антенны на корпус • Выявление корреляционных связей между значениями индексов и вероятностями неисправностей Комплексные: • Разработка моделей воздействия различных факторов на системы и элементы КА; • Построение модели комплексного воздействия среды на КА; • Создание системы геофизического обеспечения КА, выполняющей мониторинг гелиогеофизической обстановки и оперативное прогнозирование неисправностей различных систем КА 7 Данные для анализа воздействия гелиогеофизических факторов на космические системы Параметры базы отказов и аномалий КА Страна США Адрес в интернете ftp.ngdc.noaa.gov /STP/ANOMALIES Время наблюдений 1967-1994 гг. Число спутников 260 Общее число отказов и аномалий 5033 Диапазон высот орбит Наиболее часто встречающиеся высоты 820 – 54810 км 17600км, 35784км 8 Влияние геомагнитной обстановки на безопасность космических полётов В дни, когда геомагнитная обстановка нестабильна, отказы и аномалии на КА встречаются до 4-х раз чаще, чем в остальные дни. Это связано с тем, что геомагнитные бури являются катализатором вредного воздействия остальных факторов. 9 Анализ экспериментальных данных Неисправность Индекс геомагнитной активности Коэффициент корреляции Сбой телеметрии Ap 0,92 Сбой телеметрии Kp 0,93 Глубокий пробой диэлектрика Ap 0,98 Ошибка выполнения программ Dst 0,90 Поверхностный заряд Kp 0,43 Электростатический заряд Ap 0,47 10 Зависимость среднего числа отказов в системе телеметрии от значения индекса Кр Зависимость среднего числа отказов, связанных с поверхностным зарядом, от значения индекса Кр Зависимость среднего числа отказов при пробоях диэлектрика от значения индекса Ар Зависимость среднего числа отказов, связанных с электростатических зарядом, от 11 значения индекса Ар Методы уменьшения вредного воздействия среды на КА Технические Организационные Пассивные: • Использование электростатических разрядников • Металлизация всех элементов конструкции • Установка проводящих экранов на бортовую аппаратуру и кабельную сеть Активные: • Применение электростатической или электромагнитной защиты • Установка на КА Устройств нейтрализации электростатического заряда 12 Организационные методы защиты • Планирование задействования наземных средств управления КА с учетом возможного воздействия ГГФ; • Планирование режимов включений-выключений бортовых систем КА; • Анализ уровня помеховой обстановки вокруг КА, возникающей вследствие разрядов и планирование работы бортовой аппаратуры КА в этих условиях; • Планирование средств НКУ с учетом влияния электростатического заряда на прохождение информации в радиолинии Борт-Земля. 13 Выводы: • Самой уязвимой частью КА для случайных отказов является бортовая электроника и система телеметрии. Частицы высоких энергий ГКЛ, СКЛ и РПЗ, проникая сквозь обшивку ИСЗ, ионизируют активные области микросхем и провоцируют сбои; • При анализе базы данных реальных отказов КА в ОКП совместно с индексами геомагнитной активности получены коэффициенты корреляции 0.9 и более; • Также вероятна электризация обшивки КА и объёмный заряд. Они вызывают разряды, способные привести к различным сбоям вплоть до потери спутника; 14 • Организационные методы повышения надёжности КА имеют преимущества перед остальными в своей простоте и возможности применения к уже выведенным на орбиту КА и могут продлить срок службы бортовой аппаратуры в 1,5 - 2 раза (доказано на практике); • При определении расчётного срока службы аппаратуры и материалов КА, особенно полупроводниковых материалов солнечных батарей, важно учитывать 11-летний цикл солнечной активности; • Разрабатываемую модель комплексного воздействия ГФФ на материалы и бортовую аппаратуру КА планируется применить в существующей системе мониторинга гелиогеофизической обстановки, что позволит давать рекомендации по включению или выключению бортовой аппаратуры во время повышенной солнечной активности и в целом повысить эффективность работы космических систем. 15
