Активный ракетный эксперимент "Электрон-1" с инжекцией электронных пучков в ионосферу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Быковский, Владимир Федорович

• Быковский, Владимир Федорович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Быковский, Владимир Федорович

Введение

Глава 1. Состав комплекса аппаратуры активного эксперимента "Электрон-1" 14 1.1. Особенности активного ракетного эксперимента с инжекцией электронных пучков с носителя 14 1.2 Условия и цель активного эксперимента "Электрон-1". Головная часть ракеты

1.3. Бортовой инжектор электронов

1.4. Блок измерительной аппаратуры: 3 О

1.4.1. Измерители заряженных частиц

1.4.2. Измеритель энергии возвратных электронов

1.4.3. Система сбора-распределения данных

1.5. Блок диагностических контейнеров:

1.5.1. Выбор количества и типа контейнеров

1.5.2. Аппаратура контейнеров АКЗ

1.5.3. Конструкция контейнеров АКЗ

1.5.4. Отделение контейнеров АКЗ от ракеты

1.5.5. Телеметрическая система АКЗ

1.5.6. Волновой контейнер

1.6. Эксплуатационные требования и результаты испытаний

1.7. Наземная диагностика

Глава 2. Результаты активного эксперимента "Электрон-1"

Глава 3. Лабораторные эксперименты

3.1. Лабораторный эксперимент "Электрон-М"

3.2. Лабораторный эксперимент "Электрон"

3.3. Потенциал изолированного инжектора электронов в лабораторных экспериментах 82 3.4. Пучково - плазменный разряд, стимулированный при зарядке изолированного инжектора электронов

Глава 4. Анализ результатов ракетного и стендовых экспериментов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Активный ракетный эксперимент "Электрон-1" с инжекцией электронных пучков в ионосферу»

С развитием ракетно-космической техники большое развитие получили эксперименты с инжекцией электронных пучков с борта космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли, позволяющие исследовать большой круг проблем геофизики и физики плазмы при контролируемых начальных условиях [1-6]. Уровень развития ракетной техники и техники физического эксперимента позволил перейти от традиционных пассивных наблюдений за состоянием ионосферы к активным экспериментам, целью которых является воспроизведение определенных явлений в заданном месте в конкретный момент времени. Одним из наиболее общих способов подобного воздействия на атмосферу и эффективным средством решения ряда научных и прикладных задач геофизики является пропускание через нее искусственно сформированных потоков частиц, что практически выражается в изучении возможностей применения электронных пучков (ЭП), инжектируемых с борта носителя (метеоракет и спутников). Экспериментальные и теоретические исследования последних десятилетий позволили в общих чертах понять природу явлений, связанных с инжекцией ЭП в ионосферную и космическую плазму. Однако сложность и многообразие сопровождающих инжекцию явлений и их зависимость от большого числа контролируемых и неконтролируемых параметров требуют проведения дальнейшего детального теоретического и экспериментального изучения.

Эксперименты по инжекции электронных пучков в ионосферу позволяют выявить ряд основных характеристик плазменно-пучковых взаимодействий, таких как возникновение пучково-плазменного разряда (ППР), возбуждение электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот, изучить механизмы образования полярных сияний, исследовать возможности распространения ЭП на большие расстояния и т.д. На пути практической реализации пучковых методов зондирования ионосферы возникает ряд как физических, так и технических проблем. Наиболее серьезные из них связаны с механизмом взаимодействия электронов пучка с ионосферной плазмой, нейтрализующей заряд ракеты, с борта которой инжектируется пучок заряженных частиц, и т.д. Ключевую роль в проблеме исследования ионосферы с помощью пучков заряженных частиц играет экспериментальная техника. До момента начала данной диссертационной работы было проведено более двадцати ракетных экспериментов с инжекцией электронных пучков в ионосферную плазму [1-гб, 23, 24]. Основные из них представлены в табл. 1. В силу уникальности космических экспериментов, их неповторяемости, в настоящее время остается ряд вопросов, связанных с механизмами зарядки и нейтрализации ракеты и особенностями взаимодействия электронных пучков с космической плазмой, в результате которого происходит интенсивное преобразование энергии пучка в энергию плазменных колебаний. Это, прежде всего, касается условий развития пучково-плазменного разряда.

Таблица 1. Активные эксперименты с электронными пучками в космосе

Эксперимент Страна Год Вы- Эне- Ток Развитие Плотно- t° Потенсота, ргия пучка, разряда сть плазмы, циал км электронов, кэВ А плазмы, см'3 Эв ракеты, В

Хесс[1] 1969

Эхо-1 [61 США 1970 210 45 0,07 Нет

Эхо-2 [6] США 1972 210 45 0,07 Нет

Зарница -1 [2,4] СССР 1973 150 6,4 6,4

Полар-3 [6] Норвегия 1974 220 20

Зарница-2 [4] СССР 1974 155 7 0,5 Да 10' 40

Араке [4,15] СССР Франция 1975 175 27 0,5 Возможно 107 150

Эхо-4 [61 США 1976 210 45 0,07 Нет

Полар-5 [6] Норвегия 1976 220 10 0,3 Возможно 105-юь 1 1000

Бернштейн [6] 010 АЕ США Норвегия 1978 240 4 0,1

Электрон-2 [6] США Австрия 1978 190 10 0,1 Возможно ю5 0,15

Дюпре [6] США 1979 338 8 0,1

Эхо-5 [6] США 1979 210 37 0,8 Нет

Иксид [6] США 1979 128 3 20 Да 10ш 200

Грузия-Спурт [24] СССР 1981 130 6,2 0,5 Возможно Ю5-106 1200

Исследования, проводимые в этом направлении, следует отнести к "активным" экспериментам, поскольку инжектируемый в атмосферу пучок может вызвать существенные изменения свойств плазмы. Лучшие мировые образцы ракетных изделий, предназначенных для аналогичных целей, помимо основного приборного отсека на головной части ракеты, в котором размещается научная аппаратура, включают отделяемые контейнеры, предназначенные для дополнительной диагностики области взаимодействия пучков заряженных частиц с ионосферной плазмой (эксперименты Polar-5, NASA № 27:010АЕ, NVB-06, Электрон-2, К-9М-66) [6]. Однако во всех перечисленных экспериментах отделение вспомогательного контейнера производилось вдоль продольной оси ракеты. Такой способ разделения технически осуществляется более просто, но значительно снижает круг решаемых задач, т.к. не позволяет сканировать пространство в радиальном направлении. Радиальное отделение контейнеров производилось в двух экспериментах с ионными инжекторами (программы "Дикобраз" и "Поркупайн") [16], но в обоих случаях для этой цели использовались большие ракеты, позволяющие разместить на их борту достаточно громоздкие контейнеры.

Приборный отсек ракеты MP-I2 без принципиального изменения его конструкции позволяет разместить отделяемые контейнеры лишь в носовом конусе вне гермоотсека. Это накладывает существенные ограничения на их габариты. Нам удалось сконструировать достаточно малогабаритные автономные контейнеры АКЗ (автономный контейнер зондовый) и разместить в носовом конусе 3 отделяемых диагностических контейнера [9]. Два контейнера (АКЗ) отделяются в диаметрально противоположных радиальных направлениях и один (АКВ - волновой) - вперёд вдоль оси ракеты.

На первом этапе исследований [7-10] предполагалось решение задач, связанных с изучением ППР, параметров пучка и возмущенной им ионосферной плазмы, исследование механизмов зарядки ракеты, измерение квазистационарных электрических полей в околоракетной области, анализ оптического свечения и изучение волновых явлений в широком диапазоне частот и ряд других задач.

В 1989 году был осуществлён физический пуск ракеты MP-12 в районе г. Волгограда. Работа всего комплекса научной аппаратуры проходила в штатном режиме, было зафиксировано зажжение ПГТР на высотах от 150 км до 90 км на нисходящей части баллистической траектории, данные регистрации параметров области пучково-плазменных взаимодействий были переданы на наземные приёмные комплексы.

Экспериментальные исследования в космосе с использованием искусственных пучков частиц привели в свою очередь к развитию теоретических и лабораторных работ. В лабораторных экспериментах [8, 11-13] особое внимание обращалось на создание в вакуумной камере условий, близких к условиям космоса. В данной работе описываются физические и технические особенности проведённого ракетного эксперимента, методики измерений параметров области взаимодействия инжектируемого электронного пучка с ионосферной плазмой, техническое воплощение обоснованных физических представлений и конструкторских решений в создании комплекса научно-диагностической аппаратуры, результаты активного ракетного и лабораторных экспериментов.

Основные цели работы

Данная работа имела целью

- оптимизацию схемы проведения ракетного эксперимента на базе метеоракеты MP-12,

- разработку специальных методик регистрации и передачи на наземный комплекс измеряемых параметров,

- разработку и создание бортовой аппаратуры для исследования ионосферы с помощью электронных пучков,

- создание базового изделия, включающего ускоритель электронов (УЭ), блок бортовой диагностической аппаратуры (БДА) и блок автономных отделяемых диагностических контейнеров (БДК),

- физический пуск ракеты с электронным инжектором и комплексом аппаратуры и анализ результатов измерений в ходе эксперимента.

- исследование параметров плазмы и волновых излучений в активном ракетном и лабораторных экспериментах.

Актуальность работы

Для исследования ионосферной и магнитосферной плазмы эффективно используются активные ракетные эксперименты с инжекцией электронных пучков. При взаимодействии электронных пучков с ионосферной плазмой в окрестности ракеты происходит зажигание пучково-плазменного разряда с значительным увеличением концентрации плазмы в области инжекции пучка.

Параметры пучково-плазменного разряда (ППР) и генерация излучения из области разряда существенно зависят от параметров модуляции энергии электронов и тока электронного пучка. Это требует создания:

- электронного ускорителя, обеспечивающего необходимые параметры пучка и его модуляцию в низкочастотном (по току) и высокочастотном (по энергии электронов) диапазонах при минимальных габаритах и весе.

- диагностической регистрирующей и анализирующей аппаратуры для исследований ППР, волновых излучений и процессов зарядки ракеты.

- автономных контейнеров в минимальных габаритах, отделяемых от ракеты с вращением вокруг собственной продольной оси, что обеспечивает сканирование области околоракетного пространства, регистрацию параметров ППР и передачу информации на наземные приёмные анализирующие устройства.

Решение всего комплекса вышеперечисленных задач показывает актуальность данной работы.

На защиту выносится:

1. Физический проект активного ракетного эксперимента:

1.1. Схема постановки активного эксперимента: последовательность развёртывания и времени включения научной (элекрофизической и диагностической) аппаратуры с указанием соответствующих высот, относительных скоростей и направления полёта отделяемых контейнеров; направление инжекции и расходимость пучка; геометрия области ППР.

1.2. Способ отделения автономных зондовых контейнеров (АКЗ) от головной части и параметры их движения.

2. Конструкция головной части (ГЧ) ракеты.

2.1. Конструкция пушки, обеспечивающая расчётные параметры электронного пучка, необходимые для эффективной генерации волновых излучений и формирования ППР в области взаимодействия пучка с ионосферной плазмой, в том числе модуляцию пучка в низкочастотном (по току) и высокочастотном (по энергии электронов) диапазонах.

2.2. Конструкция и схема схода АКЗ со стойки приборного отсека ГЧ.

2.3. Конструкции сеточных анализаторов электронов и ионов и высоковольтных анализаторов энергии электронов.

3. Результаты физического пуска ракеты.

3.1. Результаты измерения параметров зарядки и нейтрализации ракеты, структуры области ППР.

3.2. Обнаружение отражённых от области ППР радиоволн, трассированных через область инжекции пучка с расстояния 850 км, с углом рассеяния 60° от направления трассирования на расстоянии 450 км.

3.3. Обнаружение генерации интенсивных радиоизлучений на частотах модуляции энергии электронов пучка из области ППР с интенсивностью, на порядок превышающей интенсивность радиоволн для немодулированного пучка.

4. Результаты лабораторных экспериментов, подтверждающие результаты активного эксперимента.

Научная новизна

Впервые разработан комплекс аппаратуры, предназначенный для проведения активного ракетного эксперимента с инжекцией электронных пучков в ионосферную плазму на высотах 90 * 150 км с метеоракеты MP-12 с целью зажигания пучково-плазменного разряда и управляемой генерации радиоизлучений в области ППР.

Создан оригинальный электронный ускоритель, обеспечивающий надёжное зажигание ППР на высотах от 150 до 90 км.

Впервые для метеоракеты класса MP-12 разработаны и изготовлены оригинальные автономные отделяемые от ракеты зондовые контейнеры, обеспечивающие наряду с бортовой аппаратурой приборного отсека ракеты регистрацию параметров области взаимодействия электронного пучка с плазмой в околоракетной области.

Впервые осуществлён активный эксперимент по генерации ППР модулированным электронным пучком, инжектируемым с ракеты-носителя. В эксперименте осуществлён успешный запуск ракеты, обеспечена работа всех компонентов научной аппаратуры в ионосфере и верхней атмосфере в штатном режиме, зафиксировано зажигание ППР на высотах от 150 км до 90 км на нисходящей части баллистической траектории, проведены измерения параметров ППР в околоракетной области и их передача на наземные регистрирующие комплексы.

Впервые зарегистрирована генерация радиоизлучений из околоракетной области на частотах модуляции энергии электронов пучка, интенсивность которых на порядок превышает излучение, генерируемое смодулированным пучком.

Впервые осуществлено трассирование радиоволн на расстояние в несколько сот километров в направлении области разряда и зарегистрировано их отражение от области

ППР под углом 60° к направлению трассирования радиоволн.

Результаты космического эксперимента по измерениям параметров ППР при инжекдии электронного пучка в ионосферу подтверждены дальнейшими лабораторными экспериментами, расширяющими наши представления о взаимодействии пучков заряженных частиц с образующейся при их прохождении через ионосферу плазмой.

Практическая ценность работы

Разработанный комплекс электрофизической и диагностической аппаратуры, предназначенный для проведения исследований на высотах 90 -f 150 км области взаимодействия электронного пучка, инжектируемого с борта ракеты типа MP-12 , с ионосферной плазмой, позволил осуществить активный ракетный эксперимент и может стать основой базового изделия.

Оптимизированы модель и схема постановки эксперимента, схемы регистрации параметров и структуры области взаимодействия электронного пучка с ионосферной плазмой, конструкция бортового инжектора электронов, обеспечивающего генерацию модулированных электронных пучков.

Разработанная методика отделения от ракеты компактных автономных зондовых контейнеров обеспечивает при их вращении сканирование области пучково-плазменного разряда.

Разработана конструкция компактного многофункционального контейнера АКЗ, разработан и изготовлен комплекс регистрирующей и анализирующей аппаратуры, размещаемой на ракете, проведены проверки на имитационных стендах на соответствие аппаратуры эксплуатационным требованиям после воздействия на неё ударных и вибрационных ускорений, которым она подвергается на ракете во время выведения её на рабочую высоту и во время всего периода работы ускорителя электронов.

Проведены исследования взаимодействия модулированного электронного пучка с ионосферной плазмой. Использование ВЧ модуляции энергии пучка при глубине модуляции всего 0,2% позволило на порядок увеличить интенсивность генерации радиоизлучения из области разряда.

Экспериментальная проверка в лабораторных условиях подтвердила правильность основных выбранных методик регистрации ППР и его параметров, конструкторских решений, выявила дополнительные возможности изучения возникающих при иижекции пучка электронов в ионосферу явлений.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на международной конференции по активным плазменным экспериментам в ионосфере и магнитосфере Земли ("Проект АПЭКС", 1990г., г. Липецк), шестом Всероссийском семинаре по проблемам теоретической и прикладной электронной и ионной оптики (НПО "Орион", 2003г., Москва), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Физико-технологическом центре ИЯФ СО РАН (г. Липецк), Институте ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск), Всероссийском электротехническом институте (г. Москва), Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна), опубликованы в печатных работах [7-ИЗ].

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 25 наименований. Общий объём рукописи - 105 страниц. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [7-МЗ].

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Быковский, Владимир Федорович

Заключение

В диссертационной работе:

1. Разработан физический проект активного эксперимента с инжекцией электронного пучка в ионосферную плазму с носителя - метеоракеты MP-12

1.1. Разработана и оптимизирована схема постановки активного эксперимента, включающая последовательность развёртывания и времени включения научной аппаратуры с указанием соответствующих высот, относительных скоростей и направления полёта отделяемых контейнеров, направление инжекции и расходимость пучка, геометрию области пучково-плазменного разряда.

1.2. Обоснован способ отделения автономных зондовых и волнового контейнеров от головной части ракеты и рассчитаны параметры их движения.

2. Разработана конструкция головной части "Электрон-1" ракеты MP-12, несущая отделяемые контейнеры и комплекс аппаратуры для инжекции модулированного электронного пучка в ионосферную плазму и диагностики параметров плазмы.

2.1. Разработана, сконструирована и впервые реализована в активном эксперименте в ионосфере электронная пушка, предназначенная для формирования электронного пучка, модулированного в низкочастотном и высокочастотном диапазонах с целью эффективной генерации волновых излучений.

2.2. Впервые для метеоракет класса MP-12 разработаны и изготовлены оригинальные автономные отделяемые контейнеры, выбраны схема и способ их отделения от ракеты. Отделяемые от метеоракеты контейнеры обеспечили регистрацию параметров области взаимодействия электронного пучка с ионосферной плазмой в околоракетной области и их автономное телеметрирование.

3. Осуществлён успешный запуск ракеты MP-12, обеспечена работа всех компонентов научной аппаратуры в ионосфере и наземного комплекса в штатном режиме.

3.1. Зафиксировано зажигание пучково-плазменного разряда на высотах от 150 км в апогее и до 90км на нисходящей части баллистической траектории, проведены измерения параметров зарядки и нейтрализации ракеты в периоды инжекции электронных пучков в ионосферу, структуры области ППР и их передача на наземные регистрирующие комплексы.

3.2. Впервые осуществлено трассирование радиоволн через область инжекции электронного пучка с расстояния 850 км и зарегистрировано их отражение от области ППР под углом 60° к направлению трассирования на расстоянии 450 км от области разряда.

3.3. Впервые зарегистрирована генерация радиоизлучений из околоракетного пространства на частотах модуляции энергии электронов пучка при глубине модуляции 0,2% и измерены волновые излучения из области разряда, интенсивность которых более чем на порядок превышает излучение, генерируемое смодулированным пучком.

4. Проведены лабораторные эксперименты, моделирующие полётные условия эксперимента, на вакуумных стендовых установках с использованием полётных вариантов электронной пушки и диагностических датчиков. Исследовано взаимодействие электронных пучков с разреженным газом в широком диапазоне давлений, проведены измерения основных параметров ППР, исследованы процессы зарядки автономного ускорителя при инжекции с него электронного пучка, проведена калибровка диагностической аппаратуры для активных экспериментов в ионосфере.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д. ф.-м. н. Сыресину Евгению Михайловичу, а также д. ф.-м. н., член-корреспонденту РАН Мешкову Игорю Николаевичу за обсуждение основных вопросов, изложенных в диссертации и руководство работой.

Автор искренне благодарит Смирнова А.В., Сидорина А.О., Селезнёва И.А., Малахова В.Н., Трубникова Г.В., Коротаева Ю.В., Яковенко C.JL, Пивина Р.В., Сергееву Н.С., Соболеву JI.B., Степанову Т.А., за длительное сотрудничество и непосредственную помощь в работе и выражает искреннюю признательность Ахмановой Е.В. за терпеливую, кропотливую помощь в подготовке электронного варианта рукописи.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность всем сотрудникам ОИЯИ (г. Дубна), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), НГУ (г. Новосибирск), ЛГТУ (г. Липецк), Института радиоэлектроники (г. Фрязино), НИИ Прикладной геофизики (г. Москва), принимавшим участие в создании и осуществлении программы активного ракетного эксперимента.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Быковский, Владимир Федорович, 2007 год

1. Hess W.N., Trichel M.C., Davis T.N. et al. Artificial Aurora Experiment. Experiment and Principal Results. J. Geophys. Res., 1971, v.76, p.6067.

2. Сагдеев P.3., Жулин И.А. Активные эксперименты в ионосфере и магнитосфере. ДАН СССР, 1975, т. 12, с.874.

3. Ляхов С.Б., Манагадзе Г.Г. Процессы нейтрализации заряда и определение потенциала ракеты в условиях инжекции мощного пучка электронов в эксперименте "Араке". Физика плазмы, 1977, т.З, с.1370.

4. Мишин Е.В., Ружин Ю.Я., Телегин В.А. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой. JI.: Гидрометеоиздат, 1989.

5. Sagdeev R.Z., Managadze G.G., Mayorov A.D. et al. Peculiarities of the Environment Disturbance During the Electron Beam Injection from the Rocket. Adv. Space Res. 1981. COSPAR. v.l, p.77-87.

6. Искусственные пучки частиц в космической плазме. М.: Мир, 1985.

7. Быковский В.Ф., Горячев С.Б., Дорошкин А.А. и др. Взаимодействие электронного пучка с ионосферной плазмой в эксперименте "Электрон-1". Проект АПЭКС. Научные задачи, моделирование и техника проведения экспериментов. М.: ИЗМИРАН, 1991.

8. Быковский В.Ф., Горячев С.Б., Дорошкин А.А. и др. Комплекс аппаратуры и результаты активного эксперимента "Электрон-1" с инжекцией электронного пучка в ионосферу. Препринт ИЯФ СОРАН, 91-62, 1991, Новосибирск.

9. Быковский В.Ф., Горячев С.Б., Мешков И.Н. и др. Комплекс аппаратуры и оборудования активного эксперимента "Электрон-1 "с инжекцией электронного пучка. Космические исследования, т.29, №5, 1991, с.722-728.

10. Bykovsky V.F., Meshkov I.N., Seleznev I.A., Syresin E.M. Experiments with electron beam injection in ionosphere plasma and rare gas. "SPIE, Optical Engineering", v.5398, 2004, p.119-125.

11. Bykovsky V.F., Meshkov I.N., Seleznev I.A., Syresin E.M. Experiments with electron beam injection in ionosphere plasma and rare gas. Препринт ОИЯИ, E9-2003-137,2003, Дубна

12. Горячев С.Б., Лапик P.M., Мешков И.Н., Мозгунов В.Н., Сыресип Е.М. Автономный инжектор для плазменных исследований, ПТЭ,1991, N2.

13. Галеев А.А., Докукин B.C., Жулин И.А. и др. В кн. Исследования по проблемам солнечно-земной физики. М.: ИЗМИР АН, 1977, с. 152.

14. Haerendel G. Project PORCUPINE: Symary of Seintific Objectives and Instrumentation. Munchen. 1976.

15. Алъперт Я.Е., Гуревич А.В., Питаевский Л.П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: Наука, 1964.

16. Кочмарев Л.Ю., Чмилъ А.К, Шустин Е.Г. Свойства пучково-плазменного разряда с модулированным электронным пучком. Физика плазмы, 1985, т.П, cJ1231.

17. Докукин Б.С., Ружин Ю.Я. Потенциал ракеты в эксперименте с инжекцией пучка электронов. М.: ИЗМИРАН, 1982.

18. Гагуа Т.И., Клосс 3., Палиашвили А.Н., и др. Особенности плазменных процессов, возникающих в зоне инжекции пучка электронов с высотного зонда. Процессы нейтрализации. ИКИ, М, 1983.

19. Galeev А.А., Sagdeev R.Z., Shapiro V.D.t Shevchenko V.L Beam-Plasma Discharge and Supertermal Electron Tails. Active Experiments in Space. Albach, 1983, p.151.