Прогнозирование влияния гелиогеофизических факторов на функционирование космических аппаратов Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова, Москва И.А. Скороходов, С.В. Тасенко, В.А. Чиженков, П.В. Шатов

Связь солнечной активности с функционированием КА 2 F 10,7 Сбои и отказы

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 факторыВозникающие 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 Коротирующая область взаимодействия Выброс корональных масс (СМЕ) 11-летний цикл солнечной активности 5

Влияние событий и явлений космической погоды на ГФФ События и явления космической погодыГеофизические 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: Анализ помеховой обстановки; Анализ степени заряженности КА по замыканиям антенны на корпус Статистические: 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 СтранаСША Адрес в интернетеftp.ngdc.noaa.gov /STP/ANOMALIES Время наблюдений гг. Число спутников260 Общее число отказов и аномалий5033 Диапазон высот орбит820 – км Наиболее часто встречающиеся высоты17600км, 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 НеисправностьИндекс геомагнитной активности Коэффициент корреляции Сбой телеметрииAp0,92 Сбой телеметрииKp0,93 Глубокий пробой диэлектрика Ap0,98 Ошибка выполнения программ Dst0,90 Поверхностный зарядKp0,43 Электростатический зарядAp0,47 10

Зависимость среднего числа отказов в системе телеметрии от значения индекса Кр Зависимость среднего числа отказов при пробоях диэлектрика от значения индекса Ар Зависимость среднего числа отказов, связанных с поверхностным зарядом, от значения индекса Кр Зависимость среднего числа отказов, связанных с электростатических зарядом, от значения индекса Ар 11

Методы уменьшения вредного воздействия среды на КА Технические Организационные Активные: Применение электростатической или электромагнитной защиты Установка на КА Устройств нейтрализации электростатического заряда Пассивные: Использование электростатических разрядников Металлизация всех элементов конструкции Установка проводящих экранов на бортовую аппаратуру и кабельную сеть 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