"Interball" ( eng. Interball ) - ett internationellt vetenskapligt projekt för att studera samspelet mellan jordens magnetosfär och solvinden , genomfört 1995-2000 [1] . Som en del av projektet lanserades fyra rymdfarkoster med två uppskjutningar : den ryska Interball-1 och den tjeckiska Magion-4 utforskade magnetosfärens yttre regioner, och Interball-2 och Magion-5 utforskade de polära områdena i den inre magnetosfären och jonosfären . Resultaten som erhållits under projektet har till stor del förändrat förståelsen av mekanismen för sol-jordiska relationer och fortsätter att användas av världens forskarsamhälle [2] .
Huvudorganisationen för Interball-projektet var Ryska vetenskapsakademins rymdforskningsinstitut , huvuddeltagarna var de vetenskapliga och utbildningsinstitutionerna i Österrike , Bulgarien , Storbritannien , Ungern , Tyskland , Italien , Kanada , Kirgizistan , Kuba , Polen , Rumänien , Slovakien , Ukraina , Finland , Frankrike , Tjeckien , Sverige . Forskning om projektet utfördes i nära samordning med projekten av NASA , European Space Agency , Japan Aerospace Exploration Agency [3] .
Idén om ett satellitprojekt, som gör det möjligt både att studera magnetosfärens globala dynamik och att i detalj studera dess individuella fenomen och strukturer, dök upp i slutet av 1970-talet [4] under förberedelserna av det sovjetisk-tjeckoslovakiska experimentet Intershock lanserades 1985 under Interkosmos-programmet , där studier av den fina strukturen av den jordnära stötvågen och magnetopausen utfördes [5] . Det nya projektet planerade att genomföra samtidiga sammanlänkade studier i olika områden av magnetosfären och användning av flerpunktssatellitmätningar, som gör det möjligt att skilja mellan tidsmässiga och rumsliga variationer av de studerade fenomenen [6] . Det var möjligt att implementera dessa idéer i det internationella projektet "Interball" bara tio år senare, främst av ekonomiska skäl [2] .
Interball-projektet, som genomfördes i samarbete med vetenskapliga organisationer från olika länder under allmän övervakning av Ryska vetenskapsakademins rymdforskningsinstitut , uppfyllde inte bara sitt program utan blev också en viktig del av ett bredare program för att studera solenergi. -markförbindelser som genomfördes under 1990-2000-talet under samordning av den internationella gruppen IACG ( Inter-Agency Consultative Group for Space Science ) [7] och innefattade både markbaserade mätningar vid ett nätverk av stationer belägna runt om i världen och satellitobservationer på följande rymdskepp [8] [9] :
Syftet med Interball-projektet var att fastställa och studera orsak-och-verkan samband mellan solvinden , aktiva processer i magnetotailen [komm. 1] och fenomen i dess polära ( aurorala ) regioner [komm. 2] . Plasmaprocesser i rymden nära jorden, som genererar magnetiska stormar , strålar av accelererade partiklar i jonosfären och magnetosfären, norrskensfenomen och radiovågemissioner , beror på dessa anslutningar . Kraftfulla störningar i magnetosfären och jonosfären orsakar radiostörningar och påverkar driften av rymdfarkoster, inducerar parasitiska strömmar på långa rörledningar och kraftledningar , särskilt på höga breddgrader, och kan störa deras drift . Magnetosfäriska processers inverkan på klimatfenomen och biologiska objekt antas [3] .
Under forskningen utförd av rymdfarkoster i Interball-projektet studerades följande processer [9] :
För att bedriva forskning inom ramen för projektet lanserades två sonder, som var och en inkluderade ett par av huvudsatelliten och en subsatellit , som separerade efter uppskjutning och följde en omloppsbana på ett kontrollerat avstånd [3] :
Huvudsatelliterna "Interball-1" och "Interball-2" byggdes i NPO. Lavochkin på basis av enheter i Prognoz- serien och bar vetenskaplig utrustning tillverkad i olika länder som deltar i experimentet. Utrustningen för dessa satelliter utförde de viktigaste mätningarna i enlighet med forskningsprogrammet [12] . Speciellt för genomförandet av Interball-projektet skapades en ny modifiering av enheterna i Prognoz-serien, som fick fabriksbeteckningen SO-M2 (Prognoz-M2). Med hjälp av en speciell strukturell enhet fördubblades antalet instrument installerade ombord på satelliten. Strömförsörjningssystemet uppdaterades , vilket inkluderade strålningsbeständiga solpaneler med förlängd livslängd, rymligare batterier och ett nytt automationskomplex. Detta ökade satellitens förväntade livslängd från sex till tio månader till två till fem år [13] . För att öka livslängden på enheterna vidtogs, för första gången i hemmet, åtgärder för att utjämna de elektriska potentialerna på deras yta. Elektriska laddningar som förvärvas av olika delar av satelliten när de passerar genom strålningsbälten kan leda inte bara till accelererad nedbrytning av solpaneler, utan också till förekomsten av urladdningar som inaktiverar utrustningen. På Interball-satelliterna applicerades en kontinuerlig metallisering av deras yta och solpaneler, samt täckte de exponerade delarna med elektriskt ledande färg [14] . Dessa åtgärder bidrog också till att minska den påverkan som satelliten utövade på fördelningen av elektriska potentialer i det omgivande rymden, vilket ökade noggrannheten i experimenten [13] .
Systemet för insamling, bearbetning och överföring av information från vetenskapliga instrument förbättrades avsevärt. Projektets uppgifter krävde mätning av svaga magnetfält, medan satelliterna i Prognoz-familjen inte var "magnetiskt rena", det krävde ett pålitligt system för att filtrera de användbara signalerna från magnetometrarna installerade på satelliterna från störningar som skapades av enheterna själva [15] . Förutom ryggradsradiokomplexet (MRK) "Prognozov", som fungerade i analogt läge, installerades ett digitalt system för insamling av vetenskaplig information (SSNI) på enheterna i Interball-projektet, utvecklat vid IKI RAS och gjorde det möjligt att både överföra data i realtid och spela in dem på magnetiska skivor för efterföljande uppspelning under kommunikationssessioner [16] .
Subsatelliter Magion-4 och Magion-5 skapade vid Institute of Atmospheric Physics Tjeckiska vetenskapsakademin bar en mindre uppsättning utrustning för liknande ändamål och utförde mätningar med lägre upplösning och i mindre volym. Subsatelliterna överförde data i analog och digital form och hade förmågan att skriva information till en halvledarminnesenhet [17] . Användningen av två satelliter i varje omloppsbana, som följde på avstånd från varandra och utförde mätningar med olika upplösningar, gjorde det möjligt att bestämma de rumsliga och tidsmässiga variationerna av de studerade fenomenen [18] .
I enlighet med projektets uppgifter var det meningen att svanssonden som en del av Interball-1 och Magion-4 satelliterna skulle korsa området för det neutrala lagret [komm. 1] i magnetosvansen på ett avstånd av 70 000–100 000 km från jorden, samt för att utföra mätningar i solvinds- och magnetopausregionerna på magnetosfärens flanker och i dagdelen. Startdatumet för Interball-1 och orienteringen av dess omloppsbana valdes på ett sådant sätt att korsningen av plasmaskivan skedde på varje omloppsbana från mitten av september till mitten av mars årligen. Rotationsperioden för svanssondfordonen valdes att vara en icke-multipel hel dag, vilket säkerställde deras passage över jordens alla longituder och enhetlig täckning av rymdobservationer nära jorden [19] . Huvuddelen av experimenten som utfördes på svanssonden ägnades åt att studera parametrarna för den magnetosfäriska plasman. I det första skedet av projektet, före lanseringen av norrskenssonden, genomfördes gemensamma experiment med rymdfarkosten Geotail .och Vind . En analys gjordes av utvecklingen av en substorm i flera regioner av magnetosfären samtidigt, och nya data erhölls om mekanismen för uppkomsten av substormar. I magnetotailen, på ett avstånd av cirka 10 jordradier, registrerades ett partikelflöde, vilket inte reflekteras i de befintliga scheman för strålningsbälten. En förändring i egenskaperna hos det jordnära mediet detekterades under injektionen av elektron- och plasmastrålar från Mir-omloppsstationen , utförd vid de ögonblick då Interball-1 var på samma magnetfältslinje som stationen, på avstånd på 25 000–30 000 km därifrån [4 ] [20] .
Interball-1Sex instrument för att studera processer i plasma nära jorden, sex instrument för att studera magnetiska och elektriska fält och tre instrument för att studera kosmisk och röntgenstrålning installerades ombord på rymdfarkosten Interball-1 (Prognoz-11) . Dessutom installerades utrustning på den för att bestämma den relativa positionen med Magion-4-subsatelliten och en uppsättning instrument, traditionella för satelliter i Prognoz- serien , för att mäta strålningssituationen i rymden nära jorden [9] . Med en fastställd arbetsperiod på två år fungerade Interball-1 och överförde vetenskapliga data i mer än fem år, tills den bröt ut i oktober 2000 [18] .
Magion-4Den vetenskapliga utrustningen för Magion-4-subsatelliten inkluderade fyra instrument för att studera elektriska och magnetiska vågor och fält, tre instrument för att studera plasmaprocesser, en högenergipartikeldetektor och en röntgenfotometer [ 21] . Magion-4-subsatelliten fungerade i ungefär två år innan batterierna misslyckades . Efter det arbetade enheten under en tid med ström endast från solpaneler , men på grund av en kortslutning i batteriet föll spänningen på kortet under det tillåtna minimumet. Den sista fullfjädrade kommunikationssessionen med Magion-4 hölls i september 1997, sedan februari 1998 stoppades arbetet med den helt. Under denna tid genomfördes en stor mängd gemensamma experiment med Interball-1 på Magion-4 [14] .
Omloppsbanan för norrskenssondens satelliter säkerställde deras långa vistelse på en höjd av 12 000–19 000 km i området för polarkuspen [komm. 3] - en tratt som bildas av kraftlinjerna för jordens magnetfält ovanför den nordliga magnetiska polen , där partiklar från solvinden fritt kan tränga in [22] . Med hjälp av instrument av norrskenssonden, kopplingen av lokala fenomen i norrskensregionen med processer i svansen, där "triggermekanismen" för magnetiska stormar och andra storskaliga processer i magnetosfären finns [23] . Datum och tid för lanseringen av norrskenssonden valdes så att dess rymdfarkost ganska ofta befann sig i magnetiskt konjugerade punkter (på samma kraftlinje för jordens magnetfält) med svanssonden. Omloppsperioden, som för svanssonden, valdes för att säkerställa passage över jordens alla longituder [19] . Den huvudsakliga uppmärksamheten ägnades åt studier av elektriska och magnetiska vågor och fält. Separata uppgifter för norrskenssonden var optiska observationer av norrskensfenomen i olika intervall och studiet av norrskens kilometers radioemission, som uppstår i den subpolära zonen på en höjd av en till tre radier av jorden. Gemensamma experiment utfördes med det norska värmestället EISCAT, studerades effekten av högeffekts HF - strålning från stativet på processer i den magnetosfäriska plasman [20] .
Interball-2Tre instrument för att studera norrskensplasma, tre för högtemperaturplasma (termisk), fyra instrument för att registrera och studera VLF -vågor, en trekomponentsmagnetometer , en anordning för att detektera och studera högenergiflöden installerades på Interball-2 ( Prognoz -12) elektroner , ett sätt att observera norrsken i det ultravioletta området och mäta deras spektrum i syreemissionslinjer . Under enhetens flygning utfördes också dosimetriska mätningar och experiment för att jämföra olika typer av solbatterier.
"Interball-2" fungerade under de svåraste strålningsförhållandena och tillbringade halva tiden i de svåraste områdena av jordens strålningsbälten, så ytterligare åtgärder vidtogs för att säkerställa utrustningens tillförlitlighet. En jonstrålegenerator ingick i satellitutrustningen , vilket gjorde det möjligt att kontrollera dess elektriska potential [23] . Förutom stamnätsradiokomplexet och det digitala systemet för insamling av vetenskaplig information, installerades ett analogt-till-digitalt tekniskt stödsystem STO-PA, som överför bredbandsinformation från några av instrumenten i realtid [13] .
Under de allra första dagarna av Interball-2-flygningen upptäcktes instabiliteten i dess position, orsakad både av störningar som uppstår i en låg omloppsbana i förhållande till andra Prognozs , och av fel vid beräkning av enhetens dynamik. Ett schema föreslogs och implementerades snabbt med dämpning av störningar av pulserna från attitydkontrollmotorerna, men detta ledde till en accelererad förbrukning av arbetsvätskereserverna. Efter ett och ett halvt år av Interball-2-flygningen minskade trycket i apparaten med ett brott mot skärmvakuumisoleringen och temperaturen ombord började stiga. I allmänhet förblev apparaten i drift, men några av de vetenskapliga instrumenten och STO-PA-systemet måste stängas av. I slutet av 1998 tog tillgången på komprimerad gas som användes i attitydpropeller slut, och det blev omöjligt att hålla apparatens axel på solen för att säkerställa optimal belysning av solbatterier [14] . I detta tillstånd fortsatte Interball-2 att fungera och överföra begränsade vetenskapliga data fram till slutet av 1999 [24] .
Magion-5Sammansättningen av det vetenskapliga utrustningskomplexet Magion-5, som i design liknar Magion-4-subsatelliten, inkluderade tre instrument för att studera VLF-vågor och -fält , två trekomponentsmagnetometrar med olika mätgränser, en plasmaflödesdetektor och en kallplasmaparameter mätare, två instrument för att mäta energispektra för laddade partiklar, en tvåkanals videokamera (synliga och IR-områden) för inspelning av norrsken [25] .
Kommunikationen med Magion-5-subsatelliten förlorades omedelbart efter lanseringen på grund av ett fel i dess strömförsörjningssystem . Efter 20 månader, i maj 1998, återupptogs arbetet med Magion-5 [26] . Fram till den tiden fungerade endast Interball-2 som en del av norrskenssonden. Efter avstängningen av Interball-2 i januari 2000 fortsatte Magion-5-subsatelliten att fungera i norrskenssondens omloppsbana och överförde data i sin helhet fram till mitten av 2001, varefter, på grund av att gastillförseln för framdrivningssystem, blev det omöjligt att bibehålla dets orientering mot solen och optimal belysning av solpaneler. Arbetet med Magion-5 avslutades slutligen i början av 2002 [27] [28] .
Förmågan hos de vetenskapliga instrument som installerats ombord på Interballs och mängden data som de tillhandahåller översteg avsevärt kapaciteten att lagra och överföra information som tillhandahålls av satellitsystemen ombord. Under genomförandet av Interball-projektet skapade IKI RAS ett fundamentalt nytt, omprogrammerbart under flygningssystem för insamling av vetenskaplig information (SSNI), som lagrar information på hårddiskar med en total volym på 160 MB . Reproduktionshastigheten för SSRS-information ökades flera gånger i jämförelse med satellitens standardradiolänk. Under de kommunikationssessioner som genomfördes under flygningen fann man att denna hastighet också var otillräcklig, genom omprogrammering av SSNS och marksystemen ökades den ytterligare från designen 64 kbps till 250 kbps, vilket var en enastående indikator för forskningssatelliter i de år. Detta gjorde det möjligt att drastiskt minska uppspelningstiden för information och öka mängden överförd data. På Interball-2-satelliten, som utförde ett stort antal vågmätningar , installerades förutom SSNI:n STO-AP-systemet, som överförde analoga data för dessa mätningar i ett bredbandsdirektsändningsläge. Mängden information som överfördes till rymdfarkosten ökades också, vilket gjorde det möjligt att uppdatera arbetsprogrammen för vetenskapliga instrument och ständigt kontrollera deras lägen under flygningen [16] . Under projektets gång erhölls huvuddelen av den vetenskapliga informationen, cirka 90 %, genom SSNI och STO-AP. Cirka 10 % föll till andelen av det vanliga ryggradsradiokomplexet (RTO) av enheter. Samtidigt var förlusten av data som överfördes via SSNI obetydlig, mindre än 0,01 %, medan RTO-data hade ett stort antal misslyckanden, endast hälften av informationen som överfördes genom RTO:n hade mindre än 1 % förlust [14] .
Ett viktigt problem var skyddet av utrustning ombord från effekterna av kosmisk strålning . Traditionella skyddsmetoder - metallsköldar, valet av strålningsbeständiga elektroniska komponenter - eliminerade inte helt möjligheten för fel orsakade av energiska partiklar. Dessutom, för att minska kostnaderna och påskynda utvecklingen, vid tillverkningen av SSNI, användes standardkomponenter i industriella, och inte i rymd- och militärversioner, vilket ytterligare kunde minska tillförlitligheten i arbetet. Den frekventa passagen av strålningsbälten togs hänsyn till i flygprogrammet och några av instrumenten, som i detta fall kunde skadas, stängdes tillfälligt av. SSNI fick jobba hela tiden. Åtgärder för självkontroll av programvara har implementerats för att upptäcka och korrigera fel som uppstår under driften av SSNI [13] . På Interball-2-satelliten, som tillbringade ungefär halva tiden i strålningsbälten, redan under flygningen, omprogrammerades den ombordvarande SSNI-processorn på ett sådant sätt att tre identiska program kördes samtidigt på den, vilket, enligt resultaten av " omröstningen ", detekterade och korrigerade enstaka fel i cellminnet [16] .
För att styra den samtidiga flygningen av fyra satelliter utvecklades speciell programvara. Kontrollen av Interballs och mottagningen av vetenskaplig information från dem utfördes med hjälp av RNII KP från NIP-16 nära Evpatoria , utrustad med flera kraftfulla antennsystem. Kontrollen av Magion-subsatelliterna och mottagandet av vetenskaplig information från dem utfördes från det tjeckiska observatoriet Panska Ves[16] .
Interball var ett av de första rymdprojekten som implementerade idén om samtidiga observationer med samma instrument installerade på olika fordon [2] . Drifttiderna för fordonen som deltog i projektet visade sig vara olika, men över ett betydande tidsintervall var det möjligt att få mätresultat från samtidigt fungerande satellitpar. Användningen av huvudsatelliten och subsatelliten som opererade i par gjorde det möjligt att fastställa vilka förändringar i magnetosfären som inträffar över tiden, och vilka som registreras som ett resultat av rymdfarkosters rörelse i rymden [24] . Interball-projektet har blivit ett av de mest framgångsrika sovjetiska och ryska programmen för att utforska rymden nära jorden. Mängden data som samlats in under projektet överstiger den totala mängden data om sol-markfysik som erhållits i studier utförda tidigare i Sovjetunionen och i Ryssland under cirka trettio år. Under projektets gång identifierades även bristerna i de använda metoderna, vilket stimulerade vidareutvecklingen av multisatellitmätningar. I synnerhet gjordes mätningar av var och en av Interball-sonderna endast vid två punkter, vilket gjorde det omöjligt att följa utvecklingen av de studerade processerna i tredimensionellt rum. Tredimensionell observation av nära-jorden-processer implementerades först av ESA -uppdraget " Cluster II”, som lanserades 2000 under programmet för att studera sol- markrelationer IACG och inklusive fyra identiska enheter placerade i rymden i form av en tetraeder [12] [20] , 2007 fortsatte multisatellitstudier av magnetosfären i NASA THEMIS program [ 6] .
Interball-programmets koncentrerade arkiv, lagrat i IKI RAS , innehåller mer än 300 GB vetenskaplig data. Information från projektets satelliter är tillgänglig för det internationella forskarsamhället genom NASA Goddard Centers världsomspännande databas . Baserat på data från Interball-projektet har mer än 500 artiklar publicerats, varav en betydande del skrevs inom ramen för internationellt samarbete. Resultaten av projektet fortsätter att användas i vetenskapligt arbete, flera specialnummer av ryska och internationella vetenskapliga tidskrifter inom området rymdforskning och jordfysik ägnas åt dem . Vetenskaplig forskning som utförs under Interball-projektet täcker ett brett spektrum av problem och inkluderar geofysiska uppgifter för att studera strukturen och dynamiken hos jordens magnetosfär och jonosfär, grundläggande frågor om plasmafysik och astrofysik , förhållandet mellan processer på solen och i det interplanetära medium med " rymdväder ", som påverkar biosfären och mänsklig aktivitet [29] [18] .
Under genomförandet av Interball-projektet fick man värdefull erfarenhet av att skapa rymdfarkoster som arbetar i en spänd strålningsmiljö och metoder för att skydda dem från effekterna av energiladdade partiklar [14] . Mjukvarumetoder har utvecklats och framgångsrikt tillämpats för att kompensera för hårdvarufel orsakade av kosmisk strålning i informationskomplexet ombord [16] . En jämförelse av standard och strålningsbeständiga solpaneler, utförd på Interball-2, visade att graden av nedbrytning av nya paneler under flygningen var 20 %, medan standardpaneler försämrades med 70 % [20] .
I fortsättningen av forskningen om sol-markrelationer med hjälp av multi-satellitsystem planerades det rysk-ukrainska projektet "Interball-Prognoz", som var tänkt att inkludera en grupp av två eller tre ljussatelliter i en solsynkron bana med en höjd på cirka 600 km och en medelklass enhet "Interball-3", utrustad med sitt eget framdrivningssystem och fungerar i en hög elliptisk bana. "Interball-3" var tänkt att utföra mätningar i det interplanetära mediet och den yttre magnetosfären och fortsätta studiet av den naturliga bakgrunden för millimeterstrålning , som påbörjades i RELIKT-1- experimentet . För att lösa alla vetenskapliga problem för Interball-3 föreslogs ett komplext flygschema, med den första lanseringen av frigöringspunkten L1 i Earth-Moon-systemet i en halobana för att studera den frontala solvinden, varefter den måste överföras till en elliptisk bana runt jorden med en apogeum på 350 000 - 400 000 km och studera processerna i magnetosfären, och i slutet av programmet flyga runt punkten L2, det mest bekväma för att mäta mikrovågsstrålning med låg ljudnivå. Detta projekt genomfördes inte [30] [31] .
Sedan början av 2000-talet började IKI RAS förbereda det internationella multisatellitexperimentet " Resonance " för att studera den inre magnetosfären, vilket innebär samtidiga högupplösta mätningar på fyra små satelliter MKA-FKI , uppskjutna i högelliptiska banor [32] . Inledningsvis planerades uppskjutningen av satelliter för Resonance-projektet för 2012 [33] , sedan 2017-2018 [34] , senare flyttades tidsfristerna ytterligare, uppskjutningen av projektet förväntas efter 2025 [35] .
