3. КРАТКИЕ ОТЧЕТЫ ПО ПРОЕКТАМ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проекты действующей Федеральной космической программы в стадии реализации

Проект "Детектор нейтронов высоких энергий ХЭНД"

Детектор нейтронов высоких энергий ХЭНД является российским экспериментом в составе гамма-спектрометра GRS космического аппарата NASA (USA) "2001 MARS ODYSSEY". Детектор ХЭНД предназначен для детектирования в космических условиях потоков нейтронов и гамма-излучения. Целью создания детектора ХЭНД является измерение потоков нейтронов и гамма-излучения в межпланетном пространстве в течение полета до Марса, измерение нейтронного и гамма-излучений от поверхности Марса на около марсианской орбите и проведение мониторинга и картографирования нейтронного и гамма полей Марса. Описание научной аппаратуры:
Детектор ХЭНД представляет собой устройство, состоящее из интегрированных в одном корпусе нескольких электронных блоков и четырех регистрирующих элементов: детектора нейтронов на базе счетчика ³He с тонким замедлителем из полиэтилена для нейтронов энергии 0,4-1,0 эВ; детектора нейтронов на базе счетчика ³He со средним замедлителем из полиэтилена для нейтронов энергии 1,0 эВ -1,0 кэВ; детектора нейтронов на базе счетчика 3He с толстым замедлителем из полиэтилена для нейтронов энергии 1,0 кэВ -1,0 МэВ; сцинтилляционного детектора нейтронов высоких энергий (1,0 - 10,0 МэВ) из стильбена с анти-совпадательной защитой на основе сцинтиллятора CsJ;

Обеспечение проекта:
Изготовление и испытания образцов детектора ХЭНД и проведение научного эксперимента ведутся ИКИ РАН на основании Исполнительного соглашения между РОСАВИАКОСМОСОМ и NASA по полету российского детектора ХЭНД на американском КА "2001 MARS ODYSSEY" и в соответствии с требованиями головной организации проекта "2001 MARS ODYSSEY". Работы по созданию детектора и проведению эксперимента с его использованием включены в Федеральную космическую программу России (раздел 6 (1.3)). Финансирование проекта осуществляется Российским авиационно-космическим агентством на основании государственного контракта от 19 августа 1998 г. № 025-5452/98 /шифр темы ОКР "МСП-2001"/. Общая стоимость проекта составила около 10 млн. руб. Работы по проекту ХЭНД ведутся в ИКИ РАН в сотрудничестве с Лунной и Планетарной Лабораторией Университета штата Аризона (USA). В разработке и создании детектора приняли участие российские научные институты и организации (ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, ОИЯИ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ВИМС и др.).

Текущее состояние проекта:
7 апреля 2001 г. КА "2001 MARS ODYSSEY" стартовал к Марсу c космодрома NASA "Cape Canaveral". 23 октября 2001 г. он вышел на орбиту Марса и перешел к этапу аэроторможения. По данным телеметрии прибор ХЭНД функционирует нормально, все его параметры в пределах нормы. Первые измерения на эллиптической орбите позволили обнаружить большой поток нейтронов от поверхности Марса. Этот поток существенно превышает уровень фона от космического аппарата и хорошо согласуется с известными теоретическими предсказаниями. Отклонения потока нейтронов от профиля геометрической модуляции указывает на то, что поток нейтронов существенно изменяется от точки к точке на поверхности Марса. Это свидетельствует о вариации элементного состава поверхностного слоя Марса. Построение глобальной нейтронного излучения Марса является основной научной задачей эксперимента ХЭНД. Первые полученные с орбиты результаты показали, что это задача может быть успешно решена.
После окончания этапа аэроторможения и перехода КА на круговую орбиту в январе 2002 года прибор ХЭНД должен начать картографирование потоков нейтронов от планеты. Этот этап продлиться до 2005 года. Для обработки данных прибора создана российско-американская научная группа.

Научный руководитель проекта: д. ф.-м.н. Митрофанов И.Г. (тел. 333-3489, imitrofa@space.ru)
Общий вид прибора ХЭНД на технологических подставках представлен ниже:

Проект КОРОНАС

Проект направлен на фундаментальные исследования по физике Солнца, солнечной активности и ее прогнозирования, а также солнечно-земных связей. В состав КНА "КОРОНАС-Ф" входит рентгеновский полупроводниковый спектрометр РПС-1 с нетрадиционным детектором из теллурида кадмия. РПС-1 разработан в отд. 62 ИКИ РАН. Он предназначен для регистрации и проведения тонкой спектрометрии рентгеновского излучения солнечных вспышек и их предвестников в диапазоне 3-30 кэВ.
Данные с РПС-1 - составная часть исследований солнечной активности и ее механизмов. В 2001 г. были закончены комплексные испытания РПС-1 в составе КНА "КОРОНАС-Ф". В этом же году 31 июля был произведен запуск "КОРОНАС-Ф" с космодрома "Плесецк".
В настоящее время работа включает в себя:
а) Летную эксплуатацию КА, заключающуюся в планировании эксперимента, для чего в группу управления подаются научные заявки;
б) Проведение натурного эксперимента в соответствии с подаваемыми заявками и получение телеметрической информации;
в) Первичную обработку телеметрической информации. На этапе первичной обработки осуществляется выборка информации, полученной с прибора РПС-1 из общего потока бортовой ТМ;
г) Устранение сбоев;
д) Привязка информации к мировому времени и географическим координатам;
е) Анализ пространственно-временных фоновых условий;
ж) Выделение событий, связанных с солнечной и геофизической активностью;
з) Привязка солнечных событий к активным областям;
и) Анализ вспышечных рентгеновских спектров и их сопоставление с проявлениями солнечной активности в других диапазонах электромагнитного излучения и с заряженной компонентой, зарегистрированных "КОРОНАС-Ф" и по наземным наблюдениям.

Эксперимент проходит, по нашему мнению, нормально, к Заказчику (ИЗМИРАН) и управлению претензий нет.
Единственная проблема - недостаточное финансирование - 10 тыс. руб. в месяц, что не позволяет ускорить процесс обработки, т.к. отсутствует возможность использовать потенциал института - привлекать к первичной обработке (самой трудоемкой) сотрудников других подразделений института. На наш взгляд, финансирование должно быть на уровне не менее 50 тыс. руб. в месяц.

Научный руководитель Панков В.М.; к.ф.-м.н. Прохин В.Л.(ИКИ РАН) тел.333-3-45 vpan@mx.iki.rssi.ru
Опубликовано: Панков В.М., Прохин В.Л. и др. Рентгеновский полупроводниковый (CdTe) спектрометр для исследования излучения солнечных вспышек и их предвестников. Изв. ВУЗов, сер. Радиофизика, 1996, т. XXXIX, №11-12, с. 1500.

Проект НЕЙТРАЛ-Э

Астрофизический эксперимент "Нейтрал-Э", проводимый совместно Институтом космических исследований РАН (ИКИ) и Физическим институтом Бернского университета (PHYBE), имеет своей целью изучение прямым методом изотопного состава двух компонент межзвездного вещества - инертных газов гелия и неона.

Руководство проекта
От ИКИ РАН:
Технический руководитель - Ю.Н. Агафонов
Научный руководитель - Г.Н. Застенкер
От Физического Института (Бернский Университет):
Ведущий по эксперименту - Ф. Бюлер
Научный руководитель - П. Бокхслер

Эксперимент проводился на борту станции "Мир" в течение 1995-1997 гг. с помощью разработанного и изготовленного в ИКИ прибора КОМЗА (Коллектор межзвездных атомов), установленного на поверхности модуля "Спектр". Лабораторная обработка результатов проводилась Физическим институтом Бернского университета (PHYBE).
Краткое описание постановки задачи проекта.

Эта проблема - изотопный состав межзвездного газа - до недавнего времени оставалась практически нерешенной. Оптические (спектроскопические) методы в состоянии дать сведения только об элементном составе межзвездного вещества. Пионерские работы на советских спутниках "Прогноз"по изучению рассеяния на нейтральных атомах в околоземном космическом пространстве солнечного УФ-излучения позволили обнаружить только межзвездные атомы ⁴He, но другие компоненты не были зарегистрированы. Недавние космические масс-спектрометрические эксперименты в проекте ULYSSES тоже могли детектировать только ⁴He и лишь косвенно (по измерениям ионизированной компоненты) оценить наличие ³He.

Наблюдения изотопов гелия и неона межзвездного происхождения имеют особый интерес прежде всего потому, что обе компоненты, будучи инертными газами, не вступают в химические реакции и их изотопный состав не меняется при различных процессах фракционирования. Таким образом, в их изотопном составе "заморожена" история их происхождения.

По современным представлениям изотопы гелия (³He и ⁴He) родились во время “Большого Взрыва”, давшего начало наблюдаемой Вселенной. После этого изотоп ³He не только сгорал, но и дополнительно возникал в ядерных реакциях, происходивших в звездах. Когда звезды взрывались или рассеивались, они обогащали межзвездный газ изотопом ³He.

Для протосолнечного вещества отношение ³He/⁴He известно из анализа метеоритов и наблюдений атмосферы Юпитера. Можно полагать, что это отношение зафиксировало состояние межзвездной среды в эпоху образования Солнечной системы - около 4,6 миллиарда лет назад. Поэтому перед началом проведения эксперимента ожидалось получить в межзвездном веществе более высокое изотопное отношение ³He/⁴He которое должно отражать интенсивность процессов рождения и смерти звезд, происходивших после образования Солнца.

Сам эксперимент заключался в том, что специально подготовленные образцы медно - бериллиевой фольги экспонировались в открытом космическом пространстве в потоке межзвездного газа, атомы которого частично адсорбировались на фольге. После экспозиции образцы фольги возвращались на Землю, где они подвергались специальному масс - спектрометрическому анализу для выделения искомых компонент: ³He, ⁴He, ²²Ne и ²³Ne.

Состояние дел по проекту
Измерения на станции МИР были завершены в 1997 г. Фактически они были прерваны из-за разгерметизации модуля СПЕКТР.
В настоящее время частично уже проведен и продолжается лабораторный масс-спектрометрический анализ экспонированных в космосе образцов фольги-детектора.
Следует отметить, что госбюджетное финансирование проекта в 2001 г. полностью отсутствовало.

Работы, проведенные в 2001 г.

• Совместно с коллегами из Физического Инcтитута проводился анализ и обсуждалась интерпретация полученных результатов (см. ниже);
• Сделаны доклады по результатам проекта на двух научных конференциях;
• Подготовлены и отправлены в печать 4 статьи по результатам проекта;
• С целью подготовки возможного и рассматриваемого сейчас продолжения эксперимента на непилотируемом космическом аппарате проведены следующие проработки:
  а) разработана схема такого эксперимента с использованием малого спутника и автономной возвращаемой капсулы;
  б) в сотрудничестве с Центром им. Хруничева прорисовано несколько вариантов конструкции возвращаемой капсулы;
  в) разработаны, изготовлены и проверены на функционирование лабораторные макеты модифицированного прибора КОМЗА-2 и интерфейса - прибор/возвращаемая капсула;
  г) проведены термо-вакуумные испытания комплекса состыкованных макетов прибора КОМЗА-2 и интерфейса прибор/капсула.

Результаты эксперимента
1. Измерение абсолютного количества межзвездного гелия, выделенного из летавшего образца фольги-детектора, экспонировавшегося в январе - мае 1996 г. (преимущественно ⁴Не) даёт величину [0.91±0.13]х10⁹ ат./см². С учётом средней вероятности захвата нейтральных атомов фольгой-детектором и длительности экспозиции это соответствует его потоку на орбите Земли [3.8±0.2] х10⁴ см^-2с^-1 или концентрации в межзвездной среде примерно 7.5х10^-3 см^-3. Это значение с точностью до коэффициента 1.5-2 соответствует оценкам других экспериментов.
2. Важнейшим шагом проведенного анализа было определение относительного содержания изотопа ³Не в межзвездном газе. Используя отношение вероятностей захвата для ³Не и ⁴Не и с учётом вклада фона в измеренные количества этих газов была получена оценка ³Не/⁴Не = [1.7^+0,5_-0,4 ]х10^-4.

Выводы
1. Прежде всего следует подчеркнуть, что описанная методика осуществления эксперимента "Нейтрал-Э" на станции МИР несмотря на множество ограничений, опасения насчет возможного высокого уровня загрязнений и объективные трудности работы на пилотируемой станции позволила впервые прямым методом не только успешно определить количество межзвездного нейтрального гелия на орбите Земли, но и оценить относительное содержание его изотопов.
2. Измеренное абсолютное количество зарегистрированного межзвездного гелия хорошо совпадает с расчётом на основе модели "горячего" газа, для которой в качестве исходных данных брались оценки параметров локальной межзвездной среды по данным КА ULYSSES, и которая учитывала гравитационную фокусировку Солнцем потока межзвездного газа, орбитальное движение Земли и ионизацию атомов гелия ультрафиолетовым излучением Солнца.
3. Полученная в результате эксперимента впервые прямым методом величина изотопного отношения нейтрального гелия 3Не/4Не для локальной межзвездной среды может быть сопоставлена с аналогичной косвенной оценкой по ионам гелия, захваченным солнечным ветром, и с оценками изотопного соотношения гелия для протосолнечного вещества. Последнее, как предполагается, могло сохраниться с момента образования солнечной системы в метеоритах и в атмосфере Юпитера. Примечательно, что оценка ве-личины 3Не/4Не для внешней конвективной зоны Солнца, полученная из измерений солнечного ветра, оказывается значительно выше его протосолнечного содержания, что может быть следствием быстрой переработки дейтерия в 3Не в ядре молодого Солнца и последующим сохранением гелия без особых изменений в конвективной зоне Солнца. Отметим, что наша оценка для локальной межзвездной среды хотя и смыкается на уровне ошибки, но всё же заметно ниже более косвенной оценки.
Наиболее важным нашим результатом является очень хорошее совпадение нашей оценки отношения ³Не/⁴Не для локальной межзвёздной среды в настоящее время с оценками для протосолнечного вещества. Отсюда следует важный для астрофизики вывод, что за последние примерно 4.6 миллиарда лет (т.е. со времени образования Солнечной системы) в локальной межзвездной среде не произошло значительного увеличения содержания ³Не. Следовательно, процессы образования этого изотопа из дейтерия в ядрах всех звезд и процессы горения гелия в недрах звезд малой массы примерно компенсируют друг друга.

Целью проекта является создание информационной системы для обеспечения оперативного доступа к данным зондировщиков атмосферы, установленных на искусственных спутниках Земли серии МЕТЕОР 3М.
Работы проводятся для обеспечения архивации и доступа к данным приборов МТВЗА и МСУ-Э, установленных на спутнике МЕТЕОР 3М N1 для получения различных характеристик атмосферы и океана. Головная организация по созданию системы архивации и доступа к данным Центр космических исследований Росавиакосмос. ИКИ РАН Запуск осуществлен 10 декабря 2001г.
Научный руководитель д.т.н. Е.А. Лупян