ФЕНОМЕН КОСМІЧНОЇ ПОГОДИ (продовження, с.3)
1.2. БЕЗПЕКА ПОЛЬОТІВ
Ризик відмови функціонування супутника зростає зі збільшенням тривалості його перебування в космосі. Це спричинено руйнівним впливом «космічної радіації» (енергетичних частинок) і зарядами, що накопичуються на його корпусі, оскільки апарат рухається не у вакуумі, а в провідному середовищі, яким є магнітосферна плазма.
Супутники, кут нахилу орбіти яких менший за 51,6°, в апогеї на відстані від 1 до 8 радіусів Землі потрапляють у радіаційні пояси. У цих поясах рухається велика кількість високоенергетичних частинок, що бомбардують апарат на кожному витку. Орбіти з кутом нахилу понад 80° проходять через полярний касп, на якому супутники зазнають прямого впливу частинок сонячного вітру. Високоенергетичні електрони і протони проникають крізь захисний кожух, викликаючи лавиноподібну іонізацію всередині супутника, і випромінюють рентгенівські промені. Це призводить до накопичення електричного потенціалу на окремих елементах конструкції, що може спричинити електричний розряд усередині супутника і ланцюгові відмови. Як космічні частинки, так і частинки, утворені ними в результаті каскаду вторинної іонізації, потрапивши в напівпровідникові прилади, викликають раптове «перемикання» елемента інтегральної схеми, що призводить до збою в роботі апаратури керування. Цей ефект отримав назву «поява однієї одиниці» (single event unit, SEU). Він може здатися незначним, однак із ростом мініатюризації приладів та їхньої складності він здатний спричинити навіть втрату апарата, оскільки має тенденцію лавиноподібно накопичуватись. У деяких схемах шкідливий вплив цього ефекту можна усунути за допомогою кількох превентивних вимірювань. Тому всі схеми на супутниках продубльовані. Різниця потенціалів, що з’являється після кількох атак частинок, зумовлює збільшення втрат у транзисторах, що знижує ефективність сонячних батарей і вимірювальної апаратури. Так трапилось із супутником ТОРЕХ. На першому європейському екологічному супутнику ERS-1 через ефект SEU блок позиціювання почав видавати неточні геодезичні дані. У результаті виміри стали непридатними для використання і його функціонування було припинено.
Іонізувальні частинки руйнують діелектричні компоненти. Наприклад, після сонячного спалаху в жовтні 1989 р. на ретрансляційному супутнику NASA TDRS-1 вийшов з ладу блок позиціювання. Утримати апарат на орбіті вдалося тільки за допомогою дуже дорогої процедури. На станції «Мир» через вплив іонізувальних космічних частинок комп’ютери виходили з ладу щогодини. Під час магнітних бур може утворитися новий радіаційний пояс і ймовірність відмов на супутниках, що потраплять у нього, зросте в сотні разів.
У магнітосферній плазмі на корпусі космічного апарата накопичується заряд. Цей ефект особливо великий під час магнітосферних суббур і магнітних бур, коли супутник зазнає впливу найінтенсивніших потоків енергетичних частинок. Наприклад, у разі розвитку суббурі могутній потік плазми проходить через орбіти геостаціонарних супутників. Корпус супутників набуває великого негативного заряду (десятки кіловольтів). Зросла різниця потенціалів (> 100 В) між різними елементами корпусу може спровокувати ініціювальний електричний розряд, за яким відразу сформуються численні розрядні арки, що пошкодять апаратуру, яка знаходиться на борту.
Різниця потенціалів виникає, якщо елементи конструкції мають дуже відмінні електроємності (накопичують різні кількості заряду) або по-різному розряджаються під дією фотоелектричного ефекту і вторинної електронної емісії. Ініціювальний електричний розряд викликає розрядні арки на сонячних батареях та інших елементах конструкції, якщо різниця потенціалів на них перевищує 50 В. Вони тривають від часток секунди до кількох хвилин. Особливо чутливі до дії руйнівного електричного розряду кабелі й мікроелектроніка. На борту спеціального дослідницького супутника FREIA реєструвалася різниця потенціалів 2000 В періодами від кількох до сотень секунд. Однак цей супутник не можна порівнювати з комерційними: він був спеціально розроблений для функціонування в таких умовах і дуже добре захищений. Магнітні бурі в березні 1991 р. скоротили термін роботи супутника GEOS на три роки. Дуже велика різниця потенціалів може бути навіть згубною для апарата. Так, у січні 1994 р. через магнітну бурю вийшов з ладу канадський телекомунікаційний супутник ANIK-Е1.
Конструктивний шлях вирішення цієї проблеми — використання слабкопровідних матеріалів, наприклад, нанесення на апарат теплоізоляційної плівки. Крім того, необхідні моніторинг і прогноз стану космічної погоди, щоб під час найбільшої небезпеки можна було коригувати роботу супутникової апаратури для запобігання виникненню різниці потенціалів на елементах конструкції. На геостаціонарних супутниках слід проводити моніторинг плинного потенціалу (від 0 до — 10 кВ), потоку заряджених частинок і їхнього спектра (від 100 еВ до 100 кеВ), потоку сонячного ультрафіолетового випромінювання. Прогноз їх стану потребує передбачення тривалих (>24 год) магнітосферних суббур і традиційних індексів сонячної активності. На низькоорбітальних супутниках вимоги до моніторингу плинного потенціалу менш жорсткі (від 0 до — 100 В), однак треба проводити моніторинг концентрації іоносферної плазми та її температури (від 0,05 до 0,25 еВ). Необхідний прогноз полягає в передбаченні потужних спалахів на Сонці й утворення масштабних іоносферних неоднорідностей.
1.3. ГЛОБАЛЬНИЙ ЗВ’ЯЗОК
Космічна погода впливає на всі типи зв’язку, що ґрунтуються на передачі електричного сигналу (кабельний, супутниковий, радіозв’язок).
Давно відомий такий ефект: під час трансатлантичних телефонних переговорів один абонент чує другого чітко, у той час як другий майже не чує першого. Цей ефект зумовлений земними електричними струмами, що в одному напрямку кабелю діють на сигнал як підсилювачі, а в іншому — як поглиначі. Ці струми індуковані збуреннями в іоносфері, спричиненими космічною погодою. Відзначають вплив наведених струмів і на оптоволоконний зв’язок, оскільки вони викликають наведені струми в ретрансляторах.
Зміна складу і провідності іоносфери істотно змінює поширення хвиль низькочастотного радіозв’язку в хвилеводі Земля — іоносфера, оскільки цей дальній зв’язок ґрунтується на відбитті хвиль від іоносфери і поверхні Землі. Високочастотні хвилі, які використовують розважальні радіостанції та оператори мобільного зв’язку, теж відбиваються від іоносфери, однак поглинаються Землею. Хвилі ультрависокої частоти проходять крізь іоносферу за будь-яких умов, однак залежно від останніх у ній змінюється їх фаза.
Іоносфера дуже чутлива до випромінювання і висипань енергетичних частинок. Зокрема вона може бути збурена на кілька годин після магнітної бурі і виявляє великі неоднорідності, що спричинюють інтерференцію або поглинання радіохвиль. На цих неоднорідностях порушується радіозв’язок. Під час суббур на широтах аврорального овалу формуються «міхури» підвищених концентрації і температури плазми розміром у кілька сотень кілометрів, які існують тривалий час і порушують роботу усіх видів телекомунікації. Наприклад, із 22 по 23 травня 2003 р. «міхур» над містом Томсу (Норвегія) перервав усі види зв’язку, в тім числі й високочастотний. Прогноз утворення таких неоднорідностей в іоносфері поки що не розроблений.
