Воздействие солнечной активности на малые спутники



В статье описываются воздействия на малые космические аппараты типа CubeSat со стороны Солнца в периоды его активности, а также последствия таких воздействий.

Ключевые слова: Солнце, солнечная активность, малый космический аппарат, CubeSat.

Еще на заре развития человечества люди заметили, что тепло, которое получает Земля и они сами, непосредственно связано с Солнцем. И наоборот, при его отсутствии Земля быстро остывала и тепло сменяла вечерняя прохлада. Также они отмечали, что темнота сменяется светом именно благодаря «небесному огню», при этом смотреть на него невооруженным глазом было болезненно.

В книге Язева С. А. «Лекции о Солнце» указано, что мир древних людей был наполнен различными духами (рек, морей, гор и так далее). В том числе это касалось и Солнца. Несколько позднее, вера в духов переросла в полноценную религию, а сами духи превратились в богов. К примеру, у древних египтян богом Солнца считался бог Ра, у древних славян — бог плодородия Ярило (хотя вопреки распространенному мнению, богом Солнца он не являлся), в эллинской культуре — Гелиос (с древнегреческого «Солнце») [1].

Ввиду того, что наука в те времена была развита слабо, человек считал Солнце за некую живую сущность, которое перемещалось по небу самостоятельно, а ночью скрывалось за горизонтом. Это стало поводом для рождения у многих народов мифов о гибели светила вечером (закатом) и его воскрешении утром (восходом).

Уже позднее, с развитием научных исследований, стало ясно, чем же на самом деле является Солнце и как оно влияет на процессы, происходящие на Земле. Как выяснилось, без света и тепла не было бы жизни. Состав атмосферы, ее наличие в газообразном состоянии, образование гидросферы зависит от процессов трансформации солнечной энергии. Солнце обеспечивает стабильность температуры на планете, перемещение воздушных масс в атмосфере. Также в зависимости от климатического пояса, меняется и разнообразие фауны и флоры. Поэтому, можно смело утверждать, что та планета Земля, какой мы ее видим и сегодня, сформировалась благодаря Солнцу [1].

Само же Солнце представляет собой гигантский термоядерный реактор. Его масса составляет 99,9 % от массы всей солнечной системы, а именно 2*10^30 кг или же 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 тонн, что больше массы Земли ~ в 334 000 раз. Радиус — 7*10^8 м или ~ 700 000 км, что в 109 раз больше радиуса Земли. Однако Солнце вовсе не уникальная звезда, а всего лишь одна из 100 000 000 000 звезд, составляющих галактику Млечный путь. Оно относится к типу G — желтый карлик, имеет подкласс 2V [2].

Химический состав Солнца стал известен благодаря появлению метода спектрального анализа. Оно на 73,7 % состоит из водорода, на 24,5 % из гелия, 1,8 % его состава — другие химические элементы, такие как кислород, углерод, азот, магний, неон, железо, кремний [2].

Температура на поверхности Солнца составляет около 5 526,85 градусов Цельсия, температура хромосферы — внешней оболочки Солнца, составляет уже 9 726,85 градусов Цельсия. Из-за таких высоких температур происходят термоядерные реакции с выбросом в космическое пространство различных потоков излучений. Хромосфера излучает большую часть ультрафиолета, корона — рентгеновского излучения.

Внешний слой солнечной атмосферы образует так называемый солнечный ветер — это поток плазмы на высокой скорости (у Земли эта скорость составляет примерно 1 620 000 км/ч при кинетической температуре 99 726,85 градусов Цельсия). Солнечный ветер состоит из ионизированных элементов, которые входят в химические состав звезды. Редко в его составе можно выявить изотопы фосфора, титана, хрома и никеля [2].

Это говорит о том, что Солнце не только является источником жизни в солнечной системе и на планете Земля, но и легко может в одно мгновение испепелить все живое.

На поверхности Земли негативное влияние солнечных излучений не так сильно ощущается, как на ее орбите. Вне защиты земной атмосферы для защиты человека и оборудования требуются дополнительные меры.

Первые космические аппараты спутникового типа были небольшого размера в силу необходимости, так как не было возможности строить специальные стартовые площадки для ракет, способных вывести на орбиту крупные спутники. К этому фактору добавляется также финансовые и технологические ограничения тех лет.

В процессе технологического совершенствования аппаратов, способных доставлять спутники на орбиту, а также в связи с повышением интереса к выводу своих собственных спутников (особенно среди военных по причине изменения фокусов мировой политики) встал вопрос о создании более компактных вариантов космических аппаратов. Причиной этого также стало снижение количества запусков опять же из-за снижения бюджетов на запуски (что в какой-то степени парадоксально).

Тем не менее, с появлением малых космических аппаратов на орбите Земли, в особенности, когда появились микро- и наноспутники, в частности, проект CubeSat, появились возможность расширить зоны покрытия спутниковой связи на Земле. Также были предприняты попытки исследований солнечной активности уже непосредственно с орбиты при помощи малых спутников.

В данной публикации описывается то, как Солнце и его периоды активности способны воздействовать на аппараты типа CubeSat и их оборудование. Такие спутники не имеют хорошей защищенности от некоторых факторов солнечной активности и могут подвергаться негативному влиянию.

Малые космические аппараты особенно могут быть подвержены воздействию ионизирующего излучения, которое идет к Земле с солнечным ветром. Большая мгновенная доза ионизирующего излучения способна вызвать импульс напряжения на шинах питания, что может привести к сбоям питания. А нарастающее излучение способно привести к разрушению элементов питания спутника.

Малые космические аппараты подвергаются радиационному облучению не только от Солнца, но и непосредственно с Земли (радиационные пояса Ван Аллена), а поскольку такие спутники находятся как правило на низкой околоземной орбите (от 160 км до 2000 км), то могут также подвергаться бомбардировке заряженными протонами, что приводит к структурным повреждениям материалов, в особенности микросхем (протоны выбивают атомы кремния в кремниевых микросхемах) [2].

Солнечные вспышки состоят в основном из протонов, но иногда содержат в себе и несколько процентов тяжелых ионов. Периоды солнечной активности на данный момент известны, их цикл составляет 11 лет. Самые мощные вспышки возникают как правило в период максимума солнечной активности, вызывая тем самым интенсивные потоки частиц в сторону Земли.

В результате таких вспышек, спутники, находящиеся на высокой орбите, могут получить дозу ионизирующего излучения вплоть до годичной за один раз, соответственно, они находятся в зоне высокого риска выхода из строя некоторых систем. Однако, большие спутники, как правило готовы к таким дозам излучения и на них предусмотрена специальная защита [2].

Что касается «кубсатов», на низких орбитах они также могут столкнуться с высокой интенсивностью излучения в период солнечных вспышек. Частицы в составе солнечных вспышек являются катализаторами так называемых единичных событий. Единичным событием называется сверхмощная вспышка на Солнце (класса Х). К примеру, 5 декабря 2006 года на Солнце случилась мощная вспышка класса Х9 (были и гораздо более мощные), которая стала одной из самых интенсивных вспышек с начала 21 века. Последствия — были выведены из строя спутники, обеспечивавшие работоспособность системы GPS. Так же происходили перебои в напряжении на электросетях на Земле.

С учетом подобных явлений на Солнце специалисты в области спутникостроения стали совершенствовать конструкции кубсатов. Появились спутники с различными показателями устойчивости к ионизирующему излучению. На особо устойчивых моделях устанавливались специальные экраны из высокоплотных металлов, таких как медь, вольфрам или тантал. Также имелись случаи использования металлов, наиболее устойчивых к радиационному излучению (тот же самый вольфрам, к примеру).

Тем не менее, следует сказать, что несмотря на различные методы по защите малых спутников, постепенного разрушения материалов и изнашивания оборудования избежать не удастся в любом случае. Возможно лишь только предусмотреть ту степень защищенности спутников, которой хватит на полноценную работу до конца срока их эксплуатации.

Литература:

1. Язев С. А. Лекции о Солнце. — Москва: Издательство АСТ, 2018.
2. П. Фортескью, Г. Суинерд, Д. Старк. Разработка систем космических аппаратов. — Пер. с англ. — М.: Интеллектуальная литература, 2021.