Способ прогнозирования параметров солнечного ветра на уровне орбиты земли
Использование: в исследованиях связи параметров межпланетной среды с состоянием геомагнитосферы и геомагнитного поля, оказывающих влияние на здоровье человека и работу созданных им технических систем Сущность изобретения, параметры солнечного ветра регистрируются космическим аппаратом (КА), установленном на расстояний D от Земли, превышающим расстояние до передней точки либрации. При этом перемещение КА в межпланетном пространстве и удержание его в выбранном районе осуществляется путем использования силы давления солнечного света на поверхность , являющуюся частью КА (парус) и ориентированную так, что вектор давления солнечного ветра направлен квазинормально (от Солнца) Зарегистрированные спутником параметры солнечного ветра будут наблюдаться на уровне геомагнитосферы через промежуток времени t D / v, где v - скорость солнечного ветра Эта заблаговременность прогноза t может быть 8 ч и более, что позволяет заинтересованным ведомствам подготовиться к возможным катострофическим последствиям сильных геомагнитных возмущений При этом парусный КА может быть размещен таким образом. что компенсирует перемещение Земли в межпланетном пространстве за время распространения солнечного ветра от КА к геомагнитосфере, что обеспечивает достоверность прогноза параметров солнечного ветра для предотвращения смещения КА из начального положения под влиянием составляющей силы земного притяжения ее можно балансировать составляющей силы светового давления, возникающей при некотором повороте паруса или его части относительно квазинормальной ориентации 2зпф-лы. 4 ил у V& JS 1
, ":ч ;-Ы. с г
I (i;g, !
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5006471/25 (22) 11.07.91 (46) 15.1193 Áþë. Ия 41-42 (71) Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (72) Левитин AF; Резников А.Е; Шварцбург АА (73) Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн PAH (54) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ пАРАМЕТР0В СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА УРОВНЕ ОРБИТЬ(ЗЕМЛИ (57) Использование: в исследованиях связи параметров межпланетной среды с состоянием геомагнитосферы и геомагнитного поля, оказывающих влияние на здоровье человека и работу созданных им технических систем. Сущность изобретения: параметры солнечного ветра регистрируются косми— ческим аппаратом (КА), установленном на расстояний 0 от Земли, превышающим расстояние до передней точки либрации. При этом перемещение KA в межпланетном пространстве и удержание его в выбранном районе осуществляется путем использования силы давления солнечного света на по4 (ю) RU (и) 200313б CI (51) 5 001УЗ 00 верхность, являющуюся частью КА (парус) и ориентированную так что вектор давления солнечного ветра направлен квазинормально (от Солнца). 3арегистрированные спутником параметры солнечного ветра будут наблюдаться на уровне геомагнитосферы через промвкуток времени t = 0 / ч, где v — скорость солнечного ветра. Эта заблаговременность прогноза т может быть 8 ч и более, что позволяет заинтересованным ведомствам подготовиться к возможным катострофическим последствиям сильных геомагнитных возмущений. При этом паруснь,й КА может быть размещен таким образом, что комгенсирует перемещение Земли в межпланетном пространстве за время распространенил солнечного ветра от KA к геомагнитосфере. что обеспечивает достоверность прогноза параметров солнечного ветра. дпя предотвращения смещения КА из начального положения под влиянием составляющей силы земного притяжения ее можно балансировать составляю(цей силы светового давления, возникающей при некотором повороте паруса или его части относительно квазинормапьной ориентации. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.
2003136
Изобретение относится к исследова-!
1 ю связи параметров межпланетной среE)ы с саcòoëttè8ì геомагнитоСферы и геомагиитнога г)аля„оказывающей влияние ! !а зд10!и)вье человека и p360T)/ созданных
НМ Т8ХНИ !8СКИХ СИСТОМ.
Иэяестс)!! способ прогнозирования параметров солне lifo!.o ветра на уровне орбиTû Земли, па которым определяют эле!< Гоа< !аг1-!Ит!!ук) обстановку в околоземнал пространстве: поступление энергии внутрь:I;гни тасферы Земли, динамику ток<) вы:< сис Ге< ., кап векцию магнитасферной и !
)а!!Ос
Н алия не и! Iфар)мации Об этих параметрах: сl ;o!)ocTII ветра, пг!<>тнасти плазмы 9 ветре, ме:v ) рас1 < <) нс Гвен нага p8ci)poделения ГеамаГ" I!mIT !ОГО ПОЛЯ, ЭЛЕКтРИ ЕСКОГО ПаЛЯ В ИОНОСфс)р", и магtiHToc ypn8II ypof)Ile орбиты Земли с помощью космичес <»х ап пара гав (И), находящихся в межпланетном пространстве между Солнцем и Землей и удаленных от Земли в сторону Солнца на расстояние до нескольких десятКоВ миллионов километров. Такой КА, p8t11стриpуя параметры салнечнОГО ветра, переме ц !Ощегася оТ Солнца со скоростью -300-<>00 км с, способен сообщить наблюдател о на Земле эти параметры с заблагавре ме н и Ость!а At, on ðåäåëÿåìîé време!!ем перемещения 88Tp3 оТ КА да Ор биты Земли. Укаэанный способ р8ализован на спутнлке JF>EE-3 (США), который длительный (. -0 лет) период времени находился в окрестности передней точки либрации, которая обладает той исключительной осо68!!ность!о, что в нсй тела малой массы находится в состоя!!Ии относительного рав
Спутник JSEE-3 регистрировал и передавал параметры солнечного ветра с заблагавре5 55 менностью ht 30 — 90 мин да ее прихода к орбите Земли. Для стандартных современных КА зта заблагавременность является предельной (если иметь в виду долговременную работу одного аппарата в локальной области пространства), так как точка л лб рации — единственный возмо>кный пункт их длительного нахождения вблизи линии Солнце-Земля. В описанном способе также не учитывался и по той же причине обычными спутниками в принципе не может учитываться снос Земли при ее движении па орбите за время прохождения возмущения ат КА до Земли, что в случае существенной неоднородности солнечного ветра на участке этага сноса приводит к выдаче ложного извещения (JSEE-3 до »5",>,). Кроме того, прием сигнала из района передней точки либрации (т,е, на фоне солнечного длска) эатруд)!ен мощными помехами Солнца в радиодиапазане. Цель изобретения — увеличение заблаговременности прогноза, Поставленная цель достигается тем, что в способе прогнозирования параметров солнечного ветра, основанном на регистрации этих параметров с помощью КА, установленного между Солнцем и Землей, и последу!Ощем анализе этих параметров, КА устанавлива!От на расстоянии 0 QT Земли, превыша!Ощем расстояние до передней точки либрации. При этом перемещение KA в межпланетном пространстве и удержание его в выбранном районе осуществляют путем использования силы давления солнечного света на поверхность, являющуюсч частью KA (парус)-и ориентированную так, что вектор давления солнечного света направлен кваэинормально (от Солнца). Это обеспечивает отсутствие ее тангенциальнай составля!ащей и тем самым не нарушает стабильности аппарата в касательном направлении, в том числе и на оси СолнцеЗемля. Сила светового давления балансирует разницу между притя>кением к Солнцу и суммой центробежной силы с и ритя>кением к Земле, в результате чего аппарат такого типа, может находиться в постоянном равновесии в любом пункте на этой оси дальше от Земли, чем точка либрации. Для конкретной конструкции расстояние О определяется следующими соотношениями; Рз Smax < 1+0 R К вЂ” . „,,если К>1, 2003136 та принимает К = 1, где R = 1,496 10 м — длина большой полу11 аси Земной орбиты; Me = 5,98 10 кг — масса Земли; Ма = 1,99. 10 xr — масса Солнца; 5 Ps = 4Ä 10 Па — стандартное световое давление солнечных лучей на уровне орбиты Земли; Smax — максимальная эффективная,площадь паруса в квазинормальном положе- 10 нии; Ь вЂ” альбедо (коэффициент отражения) ега поверхности; m — масса аппарата; 6=6,67 10" м . кг с — постоянная 15 всемррнаго тяготения. * — при достаточно больших К(К 0,1) формула принимает вид з D=R(1-Л:K). 20 Удаление КА за точку либрации увеличивает заблаговременность предупреждения At, которая зависит от скорости солнечного ветра в наблюдаемом потоке и находится в 25 промежутке между tmin u tmax. ! 3, At =-; Atmi, =— чз Vmax A tmax — —. Vsmin где Vs, Vsmax и Vsm)n — соответственно текущая, максимальная и минимальная скорости солнечного ветра (последние 750 км/с и 250 км/с) (2), В части повышения достоверности пра- 35 гназа заявляемый способ позволяет частично компенсировать снос Земли относительно потока солнечного ветра путем размещения КА с упреждением — впереди по движени!а от аси Солнце-Земля на 40 угол, саатветству!ощий угловой величине сноса Земли относительно патока солнечного ветра, определяемой соотношением: . Ve О Ч,-В (3) 45 где Ч, = 29,8 км/с — средняя скорость орбитального вращения Земли. Величина упреждения заключена в интервале от Bmin до amax, саатветствующих Vsmax u Vsmin. Компенсация сноса Земли путем размещения KA с упреждением увеличивает вероятность прохождения КА через поток солнечного ветра, достигающий Земли. Размещение КА в указанном интервале, по 55 крайней мере при 0 < 60 млн км, одновременно выводит сигнал эа границы видимого солнечного диска и окружающей ега излучающей области, что резко облегчает его прием. В целях предотвращения смещения аппарата из начального положения пад влиянием составляющей силы земного притяжения, эту составляющую можно балансировать с помощью компоненты силы светового давления за счет поворота паруса или его части относительна квазинормальнай ориентации. На фиг, 1 представлены орбита Земли на расстоянии от Солнца, положение передней точки либрации L1 и область нахождения парусного КА с максимальным удалением от орбиты Земли на расстояние О; на фиг. 2 — область межпланетного пространства, которую может занимать солнечный ветер, двигающийся радиально от Солнца со скоростями Ч 1 и Vmax, положение Земли на орбите, отстающее от указанной области на время, необходимое солнечному ветру, чтобы достигнуть геомагнитасферы, направления прихода сигнала с КА, размещенного с упреждением, на Землю (в этом случае сигнал не попадает на диск Солнца); на фиг, 3 и 4 — способы предотвращения смещения КА иэ начального положения под влиянием составляющей силы земного притяжения. Они состоят в том, чтобы испольэовать составляющую силы светового давления, возникающей или при некотором повороте паруса (фиг. 4), или его части относительно квазинормальной ориентации (фиг. 3). Предлагаемый способ реализуется, например, следующим образом. На КА устанавливают аппаратуру, например, аналогичную установленной на JSGE-3 для регистрации скорости и плотности солнечного ветра и компонент вектора межпланетного магнитного поля, а также передачи информации в наземный Центр сбора данных. КА выводят ракетой на высокую геоцентрическую орбиту, где раскрывают, приводят в рабочее состояние и удаляют от Земли па раскручивающейся спирали до выхода на гелиоцентрическую орбиту, что занимает у "Витязя" 20-40 сут. Затем при тормозящем действии паруса снижают КА в плоскости эклиптики до уровня квазистационарной тачки, причем траекторию подбирают с учетом условия, накладываемого на угловую скорость на конечной орбите. Альтернативно спуск осуществляют па наибыстрейшему варианту — лаксодромии, с тем что избыточный момент гасят на финише разовым реактивным импульсом. КА можно доставить на кваэистацианарную орбиту и носителем па отработанному маршруту к Венере или Меркурию, тогда парус раскры2003136 вают уже в конце, также с приданием гасящего импульса последней ступенью носителя, Это в рамках возможностей существующих технических средств, так как по массе и габаритам проектируемые аппа- 5 раты заведомо не превосходят заброшенные на эти планеты грузы. Для конкретной конструкции рассчитаем удаление КА от Земли. Для аппарата с характеристиками "Витязя" имеем: Sm x = 10 =120000 м, m = 463 кг, b = 0,92. По формуле (1) находим, что данный аппарат способен реализовать D до 22 млн км. При этом заблаговременность предупреждения по (2) составит от 8 до 24, пик вероятности прихо- 15 дится на 16-17 ч. Упреждение КА по (3) для найденного удаления от Земли составляет à,l> = 0,0058; a » = 0,0175. Составляющую силы земного притяжения, возникающую при наличии упрежде- 20 ния и направленную по касательной к орбите КА, можно балансировать составляющей силы светового давления, возникающей при повороте паруса или его части на такой угол Ок квазинормальной ориента- 25 ции, чтобы эти две составляющие уравнивались, Этот угол вычисляют из формулы ,ККО 30 где КΠ— отношение площади части паруса, повернутой под углом О, к его суммарной площади. При необходимости коррекции упреждения поворотом паруса выполняют маневр с временным снижением (раст упреждения) или повышением орбиты (его уменьшение). Приведение КА в квазинормальное положение и поддержание в нем производят за счет момента, создаваемого конусообразной или угалковай формой паруса или его части, обеспечивающей автоматическую ориентацию вершины на Солнце. В тех же целях можно использовать любую обычную систему ориентации. Балансирующий угол О удобно организовать поворотом элекранов — малых подвижных элементов паруса, что, однако, не должна вызывать вращение КА или падение эффективной площади паруса, при зтам в 50 остальном квазинормальная ориентация гарантируется как и ранее. Одна из возможных схем представлена на фиг. 3. Иначе парус можно навернуть целиком и контролировать новую ориентацию любой обычной системой, в частности гироскопической или реактивной, или с управляемым центральным конусом (уголком) (фиг, 4). В Центре сбора данных в реальном масштабе времени проводится пересчет параметров солнечного ветра на уровень орбиты Земли и осуществляется на их основе прогноз состояния электромагнитной обстановки в околоземном пространстве. В случае ожидания сильных возмущений заинтересованным ведомствам и службам выдается оповещение о времени наступления возмущения и ега амплитуде. Электромагнитные возмущения в околоземном пространстве могут выводить из строя линии электропередач, корразийную защиту трубопроводов, создавать помехи для работы средств связи и навигации, оказывать негативное воздействие на здоровье людей. Вазможность заблаговременного предупреждения а моменте наступления возмущения позволит привести в состояние повышенной готовности службы здоровья (скорая помощь, дежурный персонал клиник и больниц, радиоопавещение населения о приближении неблагоприятной геофизической обстановки) и технические службы. При современных средствах сбора и обработки данных и выдачи необходимой информации потребителю в режиме реального времени в нашей стране, прогноз о состоянии геомагнитного поля и геомагнитосферы может быть выдан заинтересованным ведомствам и течение 1 ч с момента поступления сигнала с КА. Таким образом, в распоряжении служб, могущих обеспечить устранение негативнага влияния магнитасферной и геомагнитной возмущенности на здоровье людей и технические системы, остается время (At -1 ч), где At — заблаговременность прогноза. Увеличение Ьt от 1 ч (спутник JSF E-3) да 8 ч и более (парусный спутник) позволит заинтересованным ведомствам создать механизм борьбы с катастрофическими последствиями сильных геомагнитных возмущений, (56) Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. M.: Мир, 1976, с. 61. Geophysical research letters, vol. 7, N. 5, 05/1980, р. 38. 2003136 э.=в (1- 1:к) Ci унт у переЪ е асД.а Ы СОЛИЕЧМНй CAtll io c vaja сд а Составитель В,Зверев Техред М.Моргентал Корректор E.Ïçïï Редактор T,Ãoðq÷åíà Заказ 3233 Тираж Подписное Hll0." Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 g (формула изобретения 1. СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА УРОВНЕ ОРБИТЫ ЗЕМЛИ, основанный на регистрации параметров с помощью космического аппарата, установленного между Солнцем и Землей, и последующем анализе этих параметров, отличающийся тем, что космический аппарат устанавливают на расстоянии О от Земли, превышающем расстояние до передней точки либрации, парус космического аппарата ориентируют так, чтобы вектор давления солнечного света был направлен к парусу квазинормально от Солнца, расстояние 0 от Земли до космического аппарата оценивают из соотношения (при K 0,1), Р S e„(1+b) Р G Ms m где R=-1,496 10 м - длина большой полу1i оси зе ; но и о рбить1; М,=1,99. 0 о кг - масса Солнца; Р, =4,5 10 в Па - стандартное световое давление солнечных лучей на уровне орбиты Земли, S ex — - максимальная эффективная площадь паруса в квазинормальном положении; Ь - альбедо (коэффициент отражения) его поверхности, m -масса аппарата; . 6 = 6,67 10 м ° кг ° с - постоянная всемирного тяготения, а заблаговременность Л t прогноза находят из выражения 10 и At= —vs где v> - текущее значение скорости солнечного ветра. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что космический аппарат размещают с упреждением впереди по движению от оси Солнце - Земля на угол, соответствующий угловой величине а сноса Земли относительно потока солнечного ветра, определяемой соотношением че D а=— ч, R где ve - .средняя скорость орбитального 25 вращения Земли; у - текущая скорость солнечного ветра. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что последнюю балансируют составляющей силы светового давления за счет поворота паруса или его части относительН0 кваэинормальной ориентации.
