Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 26 июля, печатный экземпляр отправим 30 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Воздействие солнечной активности на малые спутники

Научный руководитель
7. Технические науки
02.02.2025
19
Поделиться
Библиографическое описание
Листов, Д. О. Воздействие солнечной активности на малые спутники / Д. О. Листов. — Текст : непосредственный // Исследования молодых ученых : материалы XCVI Междунар. науч. конф. (г. Казань, февраль 2025 г.). — Казань : Молодой ученый, 2025. — С. 15-19. — URL: https://moluch.ru/conf/stud/archive/530/18853/.


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.
Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
Солнце
солнечная активность
малый космический аппарат
CubeSat

Молодой учёный