Работы ФГБУ «НПО «Тайфун» в области геофизических исследований

С конца 1960-ых годов ФГБУ «НПО «Тайфун» (до 1986 г. – Институт экспериментальной метеорологии) Росгидромета проводит исследования в области геофизики, физики верхней атмосферы (ВА) и околоземного космического пространства (ОКП). Для нашего учреждения всегда было характерно сочетание дистанционных и контактных методов наблюдений/измерений, проведение экспериментальных работ и разработка физико-математических моделей, выполнение научных исследований и конструкторских разработок.

В рамках Федеральной целевой программы «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки на территории Российской Федерации на 2008-2015 годы» ФГБУ «НПО «Тайфун» были разработаны новые наблюдательные и экспериментальные средства, методики наблюдений, модели процессов в ВА и ОКП. Создана подсистема геофизического мониторинга – «Ракетное, лидарно-радарное зондирование атмосферы, регистрация СДВ и КВ сигналов» (далее – Подсистема геофизического мониторинга).

В состав Подсистемы входят 7 типов комплексов геофизического мониторинга, развернутых на территории Российской Федерации от Кандалакши до Анадыря и от Тикси до Северного Кавказа. Места размещения комплексов геофизического мониторинга представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Подсистема геофизического мониторинга «Ракетное, лидарно-радарное зондирование атмосферы, регистрация СДВ и КВ сигналов»

1) Комплекс радиомониторинга (комплекс «Факел-ВЧ») для контроля электромагнитных излучений (рисунок 2), способных привести к возмущению электрического и магнитного полей и негативно воздействовать на элементы ракетной и космической техники.

Основные функциональные характеристики комплекса приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные функциональные характеристики комплекса радиомониторинга

Измеряемые компоненты	Е_x; Е_y; Е_z (компоненты напряжённости электрического поля)
Рабочий диапазон частот	от 1800 до 50000 кГц
Динамический диапазон	≥100 дБ
Чувствительность	4,4 фТл
Основная погрешность	≤(±1,5) дБ
Дополнительная погрешность	≤(±1,0) дБ/10°С

Комплекс размещается в специальном немагнитном павильоне ПГФ-1, защищающем от внешних воздействующих факторов.
На рисунке 3 показан внешний вид немагнитного павильона ПГФ-1.

Рисунок 2 – Комплекс «Факел-ВЧ» Рисунок 3 – Немагнитный павильон

На рисунке 4 для примера показан фрагмент динамического спектра ЭМИ в диапазоне частот 3840-4400 кГц, зарегистрированного на станции Воейково, с регистрацией скрининга частотного диапазона 3900-4368 кГц с шагом 3 кГц при работе EISCAT.

Рисунок 4 – Фрагмент динамического спектра ЭМИ в диапазоне частот 3840-4400 кГц, зарегистрированного на станции «Воейково» (Ленинградская обл.), с регистрацией скрининга частотного диапазона 3900-4368 кГц с шагом 3 кГц при работе EISCAT

2) Комплекс геомагнитного мониторинга для оперативного контроля вариаций магнитного поля Земли (комплекс Факел-НЧ), способных привести к сбою электронной памяти, проблемам в системах ориентации, ухудшению работы солнечных батарей КА.

Основные функциональные характеристики комплекса Факел-НЧ представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Основные функциональные характеристики комплекса геомагнитного мониторинга

Измеряемые компоненты	B_x; B_y; B_z(компоненты индукции магнитного поля)
Рабочий диапазон частот	(0,8…40) Гц, (0,06…10) кГц, (10...100) кГц
Динамический диапазон	≥100 дБ
Чувствительность	4,4 пТл
Основная погрешность	≤( ±1,5) дБ
Дополнительная погрешность	≤( ±1,0) дБ/10°С

Комплекс размещается в немагнитном павильоне (см. рисунок 1).

Комплекс применяется для мониторинга искусственных ОНЧ излучений и их эффектов, ионосферно-магнитосферных резонаторов (Шумана, Альвеновский и др.), разрядов молний, магнитных бурь и т.п.

3) Комплекс электростатического мониторинга (комплекс КЭС) для оперативного контроля возмущений электрического поля атмосферы (рисунок 5), способных привести к сбою электронной памяти, проблемам в системах ориентации, ухудшению работы солнечных батарей за счет разрядных явлений на элементах КА.

Основные функциональные характеристики комплекса приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные функциональные характеристики комплекса электростатического мониторинга

Измеряемые компоненты	Е_z (верт. компонента напряжённости эл. поля)
Рабочий диапазон частот	0-25 Гц
Динамический диапазон	10-30000 В/м
Чувствительность	6·10^-3 В/м·Гц^1/2
Основная погрешность	≤(±15) %
Дополнительная погрешность	≤(±5) % (во всём рабочем диапазоне температур)

Рисунок 5 – Комплекс электростатического мониторинга

Комплекс применяется для мониторинга эффектов движения заряженных искусственных объектов, флуктуаций ионосферы, грозовой активности, регистрации других мощных электрических разрядов. В частности, регистрируются эффекты вхождения в атмосферу и падения космических объектов на расстояниях порядка 10000 км (рисунок 6).

Рисунок 6 – Возмущения электрического поля Земли при вхождении в атмосферу корабля «Союз ТМА – 15М» 11 июня 2015 г. на удалении порядка 10000 км

4) Комплекс инфразвукового мониторинга (комплекс КИЗ) для определения параметров инфразвуковых волн и локализации источника инфразвука, как природного, так и антропогенного характера, в частности, регистрации полета ракет космического назначения (РКН) и районов падения отделяющихся ее частей РКН, взрывов промышленного и специального характера. На рисунке 7 показан общий вид комплекса инфразвукового мониторинга на станции геофизического мониторинга в г. Покровск (Якутия).

Основные функциональные характеристики комплекса инфразвукового мониторинга приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Основные функциональные характеристики комплекса инфразвукового мониторинга

Измеряемые компоненты	СКЗ звукового давления в цикле измерения
Рабочий диапазон частот	0,005-10 Гц
Динамический диапазон	0,002-5,0 Па
Чувствительность	10^-7 Па²/Гц
Основная погрешность	1,0 + f, где f – частота колебаний, Гц

Рисунок 7 – Комплекс инфразвукового мониторинга на станции геофизического мониторинга в г. Покровск (Якутия)

На рисунке 8 показана локализация по данным трёх станций ГФМ пуска ракеты с космодрома «Плесецк», её пеленг при дальности ~ 2000 км.

На рисунке 9 показана инфразвуковая локализация взрыва на Крымском мосту.

Рисунок 8 – Локализация пуска ракеты Рисунок 9 – Локализация взрыва на мосту

5) Комплекс УКВ РЛС МК-31 (рисунок 10) для обнаружения и прослеживания мелкомасштабных ионизированных неоднородностей на высотах 90-200 км, а также измерения параметров ветра в верхней атмосфере и ионосфере.

Попутно с измерениями может получаться информация о флуктуациях потоков метеорных тел в верхней атмосфере.

Рисунок 10 – Комплекс МК-31

6) Комплекс мониторинга малых газовых составляющих (МГС) атмосферы (МР‑32) служит для определения содержания в приземном слое и в столбе атмосферы следующих климатообразующих факторов:

водяной пар;
углекислый газ;
метан;
закись азота;
озон;
угарный газ;
аэрозоль.

Основные функциональные характеристики комплекса мониторинга МГС приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Основные функциональные характеристики комплекса мониторинга МГС

Тип измеряемого параметра	Измеряемые газовые компоненты атмосферы, размерность
Тип измеряемого параметра	CO₂	CH₄	N₂O	CO	H₂O	O₃
Приземные концентрации газов	250 - 900 млн^-1	1500 - 6000 млрд^-1	250 - 900 млрд^-1	50 - 2000 млрд^-1	0 – 0,01 атм.
Средняя по высоте концентрация газов в столбе атмосферы	>300 млн^-1	>1500 млрд^-1	>200 млрд^-1	>50 млрд^-1	-	-
Общее содержание газов в столбе атмосферы	>6 10²¹ молекул/см²	> 3 10¹⁹ молекул/см²	>5 10¹⁸ молекул/см²	>1 10¹⁸ молекул/см²	>2 10²¹ молекул/см²	>200 ед.Добсона

7) Комплекс лидарного зондирования средней атмосферы (рисунок 11) предназначен для мониторинга средней атмосферы и обеспечивает наблюдения:

профиля температуры в диапазоне высот 30-70 км,
концентрации озона в диапазоне высот 15-35 км;
микрофизических параметры аэрозоля в диапазоне высот 10-50 км.

Рисунок 11 – Комплекс лидарного зондирования средней атмосферы АК-3

8) Кроме того, разработан современный метеорологический ракетный комплекс МР-30, обеспечивающий запуск неуправляемых твёрдотопливных одноступенчатых баллистических ракет МН-300 на высоту до 300 км с массой полезного груза до 150 кг. Конструктивно-компоновочная схема ракеты метеорологической МН-300 приведена на рисунке 12. Комплекс МР-30 введён в эксплуатацию на технических позициях станции ракетного зондирования атмосферы М-211 в пгт. Тикси, Республики Саха (Якутия). Ракетный метеорологический комплекс МР-30 всепогодный, обеспечивает выполнение научных экспериментов в любое время года и суток, в естественных условиях на высотах стартовой позиции до 1000 м над уровнем моря, при температуре окружающей среды от минус 40 °С до плюс 50 °С и относительной влажности до 98 % при температуре плюс 25 °С.

Назначение комплекса МР-30:

геофизические исследования верхней атмосферы и околоземного космического пространства на высотах до 300 км;
проведение экологических исследований;
технологические, биологические и другие эксперименты в условиях невесомости;
ракетные испытания.

Состав комплекса МР-30:

ракета метеорологическая МН-300;
пусковая установка ПН-30;
транспортно-заряжающая машина МЗН-30;
комплект технологического оборудования КТН-30;
контрольно-проверочная аппаратура КН-30;
мобильная двухканальная телеметрическая станция МТС-Р1.

Расчет ракетного комплекса, человек ……………………………..................................................……. от 3

Назначенный срок службы наземного оборудования РК МР-30, лет ...................................................10

Назначенный ресурс пусковой установки, пусков………..…..........................................…….не менее 200

Рисунок 12 – Конструктивно-компоновочная схема ракеты метеорологической МН-300

Технические характеристики ракеты МН-300 приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Технические характеристики метеорологической ракеты МН-300

Наименование параметра		Значение
Длина ракеты, м		8,012
Диаметр ракеты (по пояскам), м		0,445
Площадь миделя, м²		0,155
Стартовая масс, кг		1550
Масса полезной нагрузки/ блока научной аппаратуры (БНА), кг		150
Внутренний объём корпуса БНА (герметичны отсек), л		90
Повышение температуры воздуха в отсеке БНА (герметичный отсек) от начальной температуры, °C (не более)		35
Повышение температуры в подстворочном пространстве от начальной температуры до момента раскрытия створок, °C (не более)		75
Напряжение от бортового источника питания постоянного тока, В		24,5-32
Высота вершины траектории, км		300
Минимальная высота выполнения научных экспериментов, км		60
Скорость вращения (имеется парирующая система), об/с (не более)		5-7
Линейные перегрузки, g (не более)		25
Центробежные перегрузки, g (не более)		17
Количество телеметрируемых каналов		128
Ток выделенный для БНА, А		15
Подводящие цепи, А:	10 шт.	по 2
	2 шт.	по 5
Запитка потенциометрических датчиком от источника РТС, мА (не более)		150
Потребление РТС, А (не более)		2,5
Среднее время полёта ракеты, с		600
Полное время работы двигателя, с		23
Вид СТТ		ПД1718

Условия эксплуатации комплекса МР-30:

скорость баллистического ветра по составляющим – не более 12 м/с;
температура окружающей среды – от минус 40 °С до плюс 50 °С;
линейные перегрузки – не более 25 g;
центробежные перегрузки – не более 17 g;
вибрационные перегрузки по трем взаимно-перпендикулярным осям в диапазоне частот:
- от 250 до 1400 Гц с ускорением до 30 g;
- от 1400 до 2000 Гц с ускорением до 50 g;
- от 2000 до 2500 Гц с ускорением до 120 g.

Зона рассеивания точек падения ракеты от точки прицеливания – (37х60) км.

Старт ракеты под углом 70-90° из пускового устройства.

На рисунке 13 приведена конструктивно-компоновочная схема метеорологической ракеты МН-300.

Рисунок 13 – Конструктивно-компоновочная схема МН-300

Возможности модернизации комплекса МР-30

В соответствии с расширением диапазона требований к качеству и количеству геофизических данных имеющихся ракетных средств (МР-30) необходимо модернизировать таким образом, чтобы они выводили на низкие околоземные орбиты геофизическую аппаратуру на малых космических аппаратах (МКА) для создания группировок и построения систем мониторинга, как постоянно действующий измерительный инструмент и получения данных о геофизической обстановке.

В настоящее время ФГБУ «НПО «Тайфун» с кооперацией прорабатывает технические предложения по созданию средств выведения сверхлёгкого класса для реализации потребностей в получении геофизических данных высокого качества и количества. Предложения разрабатываются в виде модернизации имеющего задела на основе твёрдотопливных средств, включая систему управления, дополнительные ступени, систем отделения, ГЧ и т.д.

Цель разработки - создание дешёвого, простого в изготовлении и эксплуатации средство выведения (высокая степень готовности, технологичность в изготовлении, с использованием имеющихся заделов соисполнителей).

Предлагаемые характеристики:

масса на старте – до 2 000 кг;
масса целевой аппаратуры – до 50,0 кг;
высота орбиты – до 250-500 (600) км – при очень глубокой модернизации;
размеры полезного объёма – 45 литров;
время подготовки к пуску – порядка 3 суток (с любой предварительно согласованной и подготовленной позиции РФ).

Оценки показали, что разработанные средства будут иметь возможность не только для геофизических исследований, но и более широкого спектра задач.

9) В рамках ФЦП создан тематический информационно-аналитический центр (ТИАЦ) «Верхняя атмосфера», в который стекаются данные наблюдений с указанных комплексов геофизического мониторинга. На рисунке 14 показан ситуационный зал тематического информационно-вычислительного центра «Верхняя атмосфера».

Отдельные данные геофизического мониторинга используются для реализации Соглашения между Государственной корпорацией по космической деятельности «Роскосмос», Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, Министерством обороны Российской Федерации, Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Федеральным медико-биологическим агентством, Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды от 30.12.2019 № 118/МК-13-23С/82/2-4-38-54/ С-140-1 10/32-019/351 о взаимодействии в случае аварий при пуске ракет с космодромов «Байконур» и «Восточный».

Рисунок 14 – Ситуационный зал тематического информационно-вычислительного центра «Верхняя атмосфера»

На рисунке 15 приведен один из вариантов представления информационной продукции.

Рисунок 15 – Вариант представления информационной продукции ТИАЦ