Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics
Lomonosov Moscow State University

Московский университет разработал новый научно-образовательный проект «Ломоносов». Это более крупный космический проект МГУ по сравнению с предыдущими спутниками «Университетский-Татьяна» и «Университетский-Татьяна-2». Имя М.В. Ломоносова на борту спутника – память и дань уважения выдающемуся ученому.

Размышляя о целях будущих экспериментов на космическом аппарате «Ломоносов», мы пришли к выводу, что исследования экстремальных физических явлений в атмосфере Земли, в ближнем космосе и во Вселенной как нельзя лучше подойдут именно для этого проекта. Они актуальны для современной фундаментальной космической физики и астрофизики. Кроме этого, одним из замечательных научных результатов М.В. Ломоносова были работы по атмосферному электричеству и атмосферным свечениям – полярным сияниям. Эти проблемы занимают умы ученых и по сей день.

Программа проекта «Ломоносов»

Главной целью создания спутника «Ломоносов» является исследование космический лучей предельно высоких энергий и быстропротекающих процессов в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах длин волн, происходящих в верхних слоях атмосферы Земли и во Вселенной.

Проект предусматривает установку на борту спутника научной аппаратуры, которая будет направлена на решение следующих основных задач:
• Исследование гамма-всплесков и космических лучей сверхвысоких энергий – наиболее мощных явлений во Вселенной. Фактически они являются последствиями гигантских взрывов, происходивших на стадии ранней Вселенной.
• Исследование радиационных процессов и высотных атмосферных разрядов в околоземном космическом пространстве для обеспечения безопасности во время атмосферных и низкоорбитальных полетов.
• Эксперимент по оптимизации бортовой навигационной системы. Коррекции зрения во время космических полетов.
• Апробация первого в мире комплекса космического автоматического слежения за малыми небесными телами, астероидами, космическими аппаратами, космическим мусором.

Образовательные задачи проекта не менее важны, чем научные и прикладные. Все участники проекта, как и их партнеры, будут принимать участие в обработке и анализе научной информации, как и в проектах «Университетский-Татьяна» и «Университетский-Татьяна-2». Московский университет разработал большой научный и образовательный проект для многих университетов по всему миру. Он станет реальной «космической» интеграцией науки и образования, что абсолютно необходимо научному сообществу, особенно в России.

Подробнее о научных задачах

Атмосфера Земли представляет собой мишень для различных видов космического излучения, попадающих в нее. Одним из видов являются космические лучи, то есть заряженные частицы, они бывают солнечного, галактического и внегалактического происхождения. Частицы таких высоких энергий рождают в атмосфере каскады вторичных частиц – широкие атмосферные ливни, по которым можно судить о параметрах первичных частиц. Кроме заряженных частиц, во Вселенной существуют гамма-излучение и наиболее энергичные явления – гамма-всплески, которые представляют собой объект пристального внимания исследователей в наши дни. Гамма-всплески тоже создают свой «отклик» в атмосфере в виде черенковского излучения. Однако «бомбардировка» атмосферы этими частицами не ограничивается. Следует иметь в виду, что радиационные пояса Земли, состоящие из захваченных в магнитное поле заряженных частиц, могут исчезать, высыпаться из магнитной ловушки в атмосферу, создавая в ней обширные области ионизации. Энергия частиц радиационных поясов достаточно велика, например, в них присутствуют релятивистские электроны с энергиями в несколько мегаэлектронвольт (МэВ), которые могут проникнуть достаточно глубоко в атмосферу и по скорости ионизации вполне могут конкурировать с широкими атмосферными ливнями космических лучей. Но, кроме космических факторов, на атмосферу оказывают влияние также физические процессы, происходящие совсем близко от поверхности Земли. Недавно открытые транзиентные световые явления и земные гамма-всплески, природа которых возможно связана с проявлениями атмосферного электричества, – яркий тому пример. Исследование описанных выше явлений - основная задача спутника «Ломоносов».

С помощью спутника «Ломоносов» ученые исследуют экстремальные явления в атмосфере Земли, в околоземном космическом пространстве и в дальнем космосе
По часовой стрелке сверху:
астероиды, метеориты;
радиационные пояса;
транзиентные световые явления;
атмосферные свечения, аврора и прочее;
космические лучи сверхвысоких энергий;
гамма-всплески

За основу спутника «Ломоносов» взята платформа космического аппарата «Канопус-В», разработанная в Корпорации «ВНИИЭМ».

Предполагается, что орбита спутника будет круговая солнечно-синхронная, с высотой 550 километров. Спутник планируется запустить конверсионной ракетой «Днепр» (РС-20).

Технические характеристики спутника:

• Масса платформы: 250 кг
• Масса полезной нагрузки (научной аппаратуры): 150 кг
• Масса космического аппарата: 400 кг
• Энергопотребление платформы, усредненное за виток: 200 Вт
• Энергопотребление космического аппарата, усредненное за виток: 300 Вт
• Информативность: не более 8 Гбайт/сутки

Общая схема научной аппаратуры спутника «Ломоносов»

Состав научной аппаратуры космического аппарата «Ломоносов»:

1. ТУС (TUS)
2. УФФО (UFFO)
3. БДРГ (BDRG)
4. ШОК (ShOK)
5. ЭЛФИН-Л (ELFIN-L)
6. ДЭПРОН (DEPRON)
7. ИМИСС-1 (IMISS-1)

Научное оборудование ТУС

ТУС (Трековая УСтановка).
Цель 1: регистрация космических лучей сверхвысоких энергий.
Телескоп ТУС предназначен для наблюдения из космоса ультрафиолетового излучения, которое связано как с космическими лучами сверхвысоких энергий (более 5×10¹⁹ эВ), так и с транзиентными световыми явлениями, возникающими в верхних слоях атмосферы. Эти два типа событий сильно отличаются по длительности, профилю и интенсивности, поэтому каждый из них является фоном для второго. Для надежного разделения транзиентных световых явлений от космических лучей сверхвысоких энергий в состав ТУС входят две типовые камеры обскура. Каждая камера снабжена многоанодным фотоэлектронным умножителем и соответствующей электроникой.

Цель 2: регистрация транзиентных световых явлений.
В верхних слоях атмосферы между облаками и ионосферой (на высотах 10-70 км) наблюдаются кратковременные (продолжительностью от одной до сотен миллисекунд) всплески электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне.
Современные экспериментальные данные по разрядам в верхней атмосфере указывают на их глобальный характер. Количество разрядов и высвобождаемая в них энергия настолько велики, что можно ожидать связи между разрядами и другими геофизическими явлениями.

Физические параметры телескопа ТУС:

• Площадь зеркала: 1,8 м²
• Фокальное расстояние: 150 см
• Размер ячейки: 15х15 мм
• Количество ячеек: 256
• Время опроса: 0,8 мкс
• Высота орбиты: 550 км
• Энергетический порог для частиц космических лучей предельно высоких энергий: 7х10¹⁹ эВ
• Наблюдаемая площадь атмосферы: 6400 км²
• Шаг измерения: 5 км

Научное оборудование УФФО

УФФО (англ. UFFO – Ultra-Fast Flashes Observatory/обсерватория по наблюдению очень коротких вспышек).
Цель: изучение гамма-всплесков в ультрафиолетовом и оптическом диапазоне с помощью телескопа СМТ (англ. SMT – Slewing Mirror Telescope/телескоп с быстро наводящимся зеркалом), и в рентгеновском диапазоне при помощи телескопа УБАТ (англ. UBAT - UFFO Burst Alert and Trigger Telescope/телескоп УФФО, выдающий оповещение и триггеры для регистрации всплесков).

Телескоп УБАТ для рентгеновского диапазона:
Тип: кодирующая маска+сцинтиллятор YSO+MAPMT
Поле зрения: 90.2^ох90.2^о (1.8 ср)
Эффективная площадь: 191 см²
Чувствительность: 8~150 кэВ
Локализация гамма-всплесков: 10” (7σ)
Время сбора информации/расчета положения: 1~64/0.1 с

Телескоп СМТ для регистрации ультрафиолетового и оптического диапазона:
Тип: 10-см телескоп Ритчи-Кретьена+вращающееся зеркало
Поле зрения: 17”x17”, более 70^ох70^о
Диапазон длин волн: 200~650 нм
Количество пикселей: 256х256
Размер пикселя: 4”
Чувствительность в ультрафиолетовом и оптическом диапазоне: 19.5 при 100 с экспозиции (5σ)
Время поворота: 1 с

Параметры:
Размеры: 600х600х200 мм³
Энергопотребление: 25 Вт
Масса: 23 кг
Объем информации: 300 Мбайт/день

Научное оборудование БДРГ

БДРГ (блок детектирования рентгеновского и гамма-излучения) является одним из трех научных приборов на борту спутника «Ломоносов», который позволяет проводить многоволновые измерения гамма-всплесков, необходимые для изучения этих астрофизических явлений.
Прибор БДРГ предназначен для:
• Мониторинга транзиентных астрофизических явлений (рентгеновских новых, всплесков мягкого гамма-излучения от магнетаров и других).
• Изучение временных вариаций интенсивности мягкого гамма-излучения рентгеновских двойных звезд и пульсаров.
• Патруль солнечных вспышек в гамма-диапазоне.
На борту спутника будут установлены три идентичных гамма-детектора.

Параметры:
Энергетический диапазон: 0.01–3.0 МэВ
Эффективная площадь (для трех детекторов): ~350 см²
Временное разрешение: 100 мкс (во всплесковом режиме)
Масса одного модуля: ~5.5 кг
Энергопотребление: ~7.5 Вт (для трех модулей)
Объем информации: ~300 Мбайт/сутки
Поле зрения: ~2π, ср
Чувствительность детектирования источника: ~10^-7 эрг/см²
Точность локализации источника: ~2-4 град
Ожидаемое количество детектируемых всплесков в год: ~100

Научное оборудование ШОК

ШОК (оптическая камера широкого поля зрения).
Цель 1: наблюдение гамма-всплесков в видимом диапазоне.
Цель 2: мониторинг космических объектов и астероидов.

Аппаратура ШОК состоит из двух блоков стационарных быстрых оптических камер широкого поля зрения. Поле зрения каждой из них находится в пределах поля зрения других бортовых приборов для детектирования гамма-всплесков на борту спутника «Ломоносов». Поле зрения каждой камеры составляет около 1000 квадратных градусов, максимальная скорость записи кадра экспозиции – 5-7 кадров в минуту. Фактически, камера непрерывно записывает «фильм», а в случае регистрации гамма-всплеска часть этой записи может быть передана на Землю.

Возможно проводить обработку изображений с целью нахождения оптических транзиентов: суперновых, новых, всплесков-«сирот» (не сопровождающихся гамма-излучением), астероидов и космического мусора в ближнем космосе.

Следует подчеркнуть, что аппаратура ШОК на борту спутника «Ломоносов» - это первый опыт использования оптических камер широкого поля зрения в космическом эксперименте. Развитие методов регистрации из космоса опасных астероидов и космического мусора представляет особый интерес.

Параметры:
Размеры: 200х100х720 мм
Энергопотребление: 33 Вт
Масса: 5.5±0.3 кг
Объем информации: 7 Гбайт/сутки
Чувствительность: 9 зв.вел.

Научное оборудование ЭЛФИН-Л

ЭЛФИН-Л (англ. ELFIN-L - Electron Loss and Fields Investigator Lomonosov/изучение полей и потерь электронов, Ломоносов).
Цель: измерения радиационных и магнитных полей вблизи Земли.
Основная научная цель прибора ЭЛФИН-Л, созданного учеными МГУ в коллаборации с Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе (UCLA), заключается в исследовании доминирующего механизма потерь энергичных электронов и ионов. Энергичные частицы являются угрозой для оборудования и людей в космосе, они могут вызвать отказы в работе спутников. Эксперименты на борту спутника «Ломоносов» совпадают по времени с экспериментами на зондах Ван-Аллена, запущенных Северо-Американским космическим агентством (NASA Van Allen Probes). Совместно с двумя зондами Ван-Аллена и тремя уже запущенными на орбиту спутниками THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions During Substorms/динамика событий и макро-взаимодействий во время суббурь), измеряющими захваченные частицы радиационных поясов вблизи экватора, спутник «Ломоносов» поможет ученым понять физические процессы, отвечающие за динамику радиационного окружения Земли.

Измерения, проводимые при помощи прибора ЭЛФИН-Л, будут использованы и для количественной оценки потерь в целях построения глобальных предсказательных моделей радиационной обстановки вблизи Земли. Знания количественных характеристик высыпаний частиц в атмосферу Земли помогут ученым понять природу рентгеновских всплесков, которые, согласно современным представлениям, связаны с высыпаниями релятивистских электронов. Подобные процессы могут протекать и на других планетах, на Солнце и на удаленных астрофизических объектах.

Параметры:
Размеры: 200х100х720 мм
Энергопотребление: 5 Вт
Масса: 3±1 кг
Объем информации: 10 Мбайт/сутки
Энергия электронов: от 0.05 до 4 МэВ
Энергия протонов: от 50 до 500 кэВ
Магнетометр SNR: 120 дБ @ 1-50 Гц

ЭЛФИН-Л в сложенном и в рабочем положениях
Сверху вниз:
детекторы частиц (электронов и протонов);
магнетометр;
рабочее положение;
сложенное положение

Научное оборудование ДЭПРОН

ДЭПРОН (англ. DEPRON - Dosimeter of Electrons, PROtons and Neutrons/дозиметр электронов, протонов и нейтронов).
Цель: радиационные измерения.
Прибор ДЭПРОН предназначен для измерения поглощенных доз и спектров линейной передачи энергии высокоэнергичных электронов, протонов и ядер космической радиации, а также для детектирования тепловых и медленных нейтронов.

В состав прибора входят:
• Дозиметр заряженных частиц на основе полупроводникового детектора.
• Детектор тепловых нейтронов на основе газоразрядных счетчиков СИ13Н.
• Микросхемы для аналоговой и цифровой обработки сигналов с детекторов, а также для хранения, анализа и передачи информации в информационный блок.
• Блоки питания для детекторов и электроники.

Параметры:
Размеры: 220х150х70 мм
Энергопотребление: 5 Вт
Масса: 4.0±0.5 кг
Объем информации: 10 Мбайт/сутки
Поглощенная доза: 10^-5–10⁺¹ Грей
Скорость накопления поглощенной дозы: 10^-6–10^-1 Грей/час
Плотность потока: 1-10⁴ част/см²с

Научное оборудование ИМИСС-1

ИМИСС-1 (Институт математических исследований сложных систем) - автоматический корректор стабилизации взора.
Во время пребывания космонавта на орбите изменяется качество его визуального контроля за движущимися объектами. Согласно современным представлениям, это явление связано с конфликтом вестибулярных и зрительных органов при пониженной гравитации, в результате которого информация, поступающая с отолитов – органов вестибулярного аппарата - не может быть правильно интерпретирована мозгом космонавта, в отличие от информации, поступающей от органов зрения. В связи с этим значительно (в три и более раз) увеличивается время, необходимое для установки взора, распознания объекта и стабилизации взора. Один из методов преодоления конфликта между вестибулярными и зрительными органами в условиях пониженной гравитации заключается в использовании космонавтом специального приспособления – автоматического корректора стабилизации взора. Этот прибор позволяет космонавту улучшить качество визуального контроля за движущимися объектами в условиях микрогравитации. В качестве чувствительных элементов предлагается использовать микрогироскопы и микроакселерометры, объединенные в инерционный измеряющий модуль.

Установка ИМИСС-1

Вестибулярный аппарат включает в себя улитку (на картинке ниже обозначена желтым цветом), которая является периферическим органом нашей слуховой системы;
полукружные каналы (коричневый), которые преобразуют вращательное движение;
отолиты (в синих/фиолетовых карманах), которые преобразуют линейное ускорение.
Голубым цветом обозначен эндолимфатический мешок, содержащий жидкость.

Лабиринт внутреннего уха с левой стороны.
Сверху вниз слева направо:
передний полукружный канал;
нерв;
овальный мешочек ушного лабиринта;
сферический мешочек ушного лабиринта;
задний полукружный канал;
горизонтальный канал;
улитка

Проект «Ломоносов» занял первое место в секции «Научные программы освоения космоса» Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Космодром «Восточный» и перспективы развития российской космонавтики», очный этап которой прошел с 4 по 7 июня 2015 года в городе Благовещенск. Конференция организована Роскосмосом и ОРКК совместно с Министерством образования и науки Российской Федерации и ФАНО по поручению заместителя Председателя Правительства Российской Федерации Д.О. Рогозина.

Ключевые участники:
1. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Россия. В том числе подразделения МГУ:
Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (является головной организацией по созданию научной аппаратуры космического аппарата);
Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга;
Научно-исследовательский институт механики;
Институт математических исследований сложных систем;
физический факультет.
2. Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» имени А.Г. Иосифьяна», Россия (является головной организацией по созданию космического аппарата).
3. Объединенный институт ядерных исследований, Россия.
4. Университет Сонгюнгван, физический факультет, Южная Корея.
5. Университет Ёнсе, факультет астрономии, Южная Корея.
6. Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Институт геофизики и планетарной физики, США.
7. Датский технический университет, Национальный космический институт, Дания
8. Андалузский институт астрофизики, группа ARAE, Испания.
9. Университет Валенсии, Лаборатория обработки изображений, Испания.
10. Автономный университет Пуэбла, Мексика.
11. Национальный Тайваньский университет, физический факультет, Тайвань.
12. Национальный объединенный университет, факультет энергетики, Тайвань.