Investigating the ionosphere response to exhaust products of “Progress” cargo spacecraft engines on the basis of Irkutsk Incoherent Scatter Radar data

Boris Shpynev; Sergei Alsatkin; Vitaliy Khakhinov; Valentin Lebedev

doi:doi:10.12737/22812

UDC 55

Investigating the ionosphere response to exhaust products of “Progress” cargo spacecraft engines on the basis of Irkutsk Incoherent Scatter Radar data

Published в Solnechno-Zemnaya Fizika · Volume 3, Issue 1, 2017 · Pages 88–96 · Rubrics: Results of current research

DOI 10.12737/22812

Received: 22.11.2016 Accepted: 22.11.2016 Published: 22.11.2016 Language of publication: RUS

Authors

Boris Shpynev ¹ · Sergei Alsatkin ² · Vitaliy Khakhinov ³ · Valentin Lebedev ⁴

1 Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS
Irkutsk, Russian Federation

2 Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS
Irkutsk, Russian Federation

3 Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS
Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation

4 Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS
Irkutsk, Russian Federation

ABSTRACT

The FSUE Central Research Institute of Machine Building (TsNIIMash), Rocket and Space Corporation “Energia”, and Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (ISTP SB RAS) jointly conducted the active space experiment “Radar-Progress” in 2007–2015. During this experiment, we used the Irkutsk Incoherent Scatter Radar to study space-time characteristics of ionospheric disturbances generated by exhaust products of “Progress” cargo spacecraft engines. As the basic effect during exhaust product injection we consider the formation of new centers for recombination of ambient ionospheric ions O+ on molecules of water and carbon dioxide. This produces an ionization “hole” in the region of injection. In nighttime conditions when the majority of experiments were performed, this hole was filled by hydrogen ions from the plasmasphere, thus the ion composition in the vicinity of the hole and incoherent scatter spectra were changed. For successful observation of the ionization hole dynamics, the critical factors are the degree of radar antenna diagram filling by exhaust products and the velocity of the thermospheric neutral wind, which makes exhaust gases move from the antenna diagram. These two factors lead to poor repeatability of successful experiments. Successful experiments recorded a decrease in electron density up to 35 % in the hole that existed for 30 min. The lifetime of the region with high concentration of H+ ions can be as long as one hour.

KEYWORDS

ionosphere electron density active space experiments exhaust product injection into ionospheric plasma

Information Text References

Authors:

1. Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS

Irkutsk, Russian Federation

2. Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS

Irkutsk, Russian Federation

3. Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS

Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation

4. Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS

Irkutsk, Russian Federation

Type:

Article

Pages:

from 88 to 96

Status:

Published

Subject area:

UDC 55

Language:

Russian, English

Keywords:

ionosphere, electron density, active space experiments, exhaust product injection into ionospheric plasma

Text

Text (PDF): Read Download

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с 2007 г. в рамках активных космических экспериментов (КЭ) «Радар–Прогресс» (до 2010 г. «Плазма–Прогресс») [Potekhin et al., 2009; Khakhinov et al., 2012; Хахинов и др., 2012, 2013] на Иркутском радаре некогерентного рассеяния (ИРНР) [Жеребцов и др., 2002] проводились исследования ионосферных неоднородностей, генерируемых выхлопными газами бортовых жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) транспортных грузовых кораблей (ТГК) серии «Прогресс». В 2007–2015 гг. был проведен 91 сеанс КЭ. ИРНР использовался для исследования радиолокационных сигналов как от неоднородностей, генерируемых струей выхлопных газов, так и от ионосферных неоднородностей, возникающих вследствие химической реакции этих выбросов с частицами плазмы.

Активные эксперименты проводились в режиме автономного полета ТГК, после завершения программы работ и отстыковки его от международной космической станции (МКС), и имели следующие особенности:

относительно малое количество продуктов горения, инжектируемых в ионосферу (скорость сжигания топлива варьирует от 376 г/с до 1 кг/с, длительность работы ЖРД — от 5 до 11 с);
разные внешние условия экспериментов, такие как фоновая концентрация электронов, гелио-геофизическая обстановка, высота и ориентация ТГК на орбите, тип ЖРД и направление струи выхлопных газов.

Для исследования пространственно-временных характеристик ионосферных возмущений, генерируемых продуктами горения при работе ЖРД, ИРНР включался за несколько часов до сеанса КЭ с целью определения фоновых параметров ионосферной плазмы в области пролета ТГК и продолжал измерения в течение нескольких часов после сеанса КЭ.

Ионосферные эффекты исследовались по методикам, изложенным в работах [Shpynev, 2004; Медведев и др., 2004; Лебедев и др., 2008; Хахинов и др., 2010], в двух частотных каналах для одновременного измерения профиля мощности и спектральных характеристик сигналов некогерентного рассеяния (НР). В спектральном канале измерений использовался прямоугольный импульс длительностью 750 мкс. В канале регистрации профиля мощности в период низкой солнечной активности 2007–2008 гг. для зондирования ионосферы применялся прямоугольный импульс длительностью 150–200 мкс, с 2009 г. — фазоманипулированный импульс (использующий 5- или 11-элементный код Баркера) суммарной длительностью 200 мкс с последующим согласованным приемом. Кроме этого, начиная с 2009 г. в экспериментах использовался режим двух разнесенных в меридиональной плоскости лучей для определения динамики возмущенной области.

References

1. Bernhardt P.T., Huba J.D., Swartz W.E., Kelly M.C. Incoherent scatter from space shuttle and rocket engine plumps in the ionosphere. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, no. A2, pp. 2239-2251.

2. Bernhardt P.T., Huba J.D., Kudeki E., Woodman R.F., Condori L., Villanueva F. Lifetime of a depression in the plasma density over Jicamarca produced by space shuttle exhaust in the ionosphere. Radio Sci. 2001, vol. 36, no. 5, pp. 1209-1220.

3. Kazimirovsky E.S., Manson A.H., Meek C.E., Winds and waves in the middle atmosphere. J. Atmos. Terr. Phys. 1988, vol. 50, no. 3, pp. 243-250.

4. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Med-vedev A.V., Kushnarev D.S., Shpynev B.G., Zarudnev V.E., Alsatkin S.S., Ratovsky K.G., Podlesny A.V., Bryn’ko I.G. Radiophysical methods of diagnostics of ionospheric disturbances generated by board engines of TCS “Progress”: Algorithms, instruments and results. Rossiiskaya nauchnaya konferentsiya “Zondirovanie zemnykh pokrovov radarami s sintezirovannoi aperturoi” [National Scientific Conference “Sounding of earth surface by radars with synthetic aperture”]. Ulan-Ude, September 6-10, 2010: Proc. 2010, pp. 553-569. (In Russian). URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/Ulan-Ude-2010/pdffiles/s2_35.pdf (accessed November 17, 2017).

5. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Alsatkin S.S., Ratovsky K.G., Kushnarev D.S., Tverdokhlebova E.M., Kurshakov M.Yu., Manzhelei A.I., Timofeeva N.I. Results of remote sounding of ionospheric disturbances in active space experiments “Radar-Progress”. Sovremennye problemy dis-tantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current Prob-lems in Remote Sensing of the Earth From Space]. 2012, vol. 9, no. 3, pp. 199-208. (In Russian).

6. Khakhinov V.V., Shpynev B.G., Lebedev V.P., Kushnarev D.S., Alsatkin S.S., Khabituev D.S. Radiosounding of ionospheric disturbances generated by exhaust streams of the transport spacecraft “Progress” engines. The 32nd Progress in Electromagnetics Research Symposium. Тhe Electromagnetics Academy Publ., 2012, pp. 1168-1171.

7. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Kushnarev D.S., Alsatkin S.S. Some results of active space experiments “Plasma-Progress” and “Radar-Progress”. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta imeni M.F. Reshetneva [Bull. of M.F. Reshetnev Siberian State Aerospace University]. 2013, special iss. 5 (51), pp. 160-163. (In Russian).

8. Krinberg I.A., Taschilin A.V. Ionosfera i plazmоsfera [Ionosphere and plasmasphere]. Moscow, Nauka Publ., 1984. 187 p. (In Russian).

9. Lebedev V.P., Gabdullin F.F., Khakhinov V.V., Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Laletina E.A., Manzhelei A.I. Reseach into characteristics of plasma surrounding of low-orbit spacecraft by radio sounding methods. Kosmonavtika i rake-tostroenie [Cosmonautics and Rocket Engineering]. 2008, no. 1 (50), pp. 51-60. (In Russian).

10. Medvedev A.V., Zavorin A.V., Kushnarev D.S., Shpy-nev B.G. Modernization of hardware-software complex of Irkutsk Incoherent Scatter Radar. The basic elements of new multi-channel registration. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Phys.]. 2004, iss. 5, pp. 107-110. (In Russian).

11. Platov Yu.V., Semenov A.I., Filipov B.P. Sublimation of ice particles in upper atmosphere conditions. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2004, vol. 44, no. 3, pp. 419-423. (In Russian).

12. Platov Yu.V., Semenov A.I., Filippov B.P. Sublimation of carbon dioxide ice particles in upper atmosphere conditions // Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2005, vol. 45, no. 3, pp. 416-420. (In Russian).

13. Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.A., Shpynev B.G. Active space experiments with the use of the transport spacecraft “Progress” and Irkutsk IS Radar. The 26tn Progress in Electromagnetics Research Symposium. 2009, pp. 223-227.

14. Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization. Radio Sci. 2004, vol. 39, no. 3, RS3001. DOI:https://doi.org/10.1029/2001RS002523.

15. Vergasova G.V., Kazimirovsky E.S. The large scale variation of dominant wind in lower thermosphere. Izvestiya AN. FAO. [Izvestiya. FAO]. 1994, vol. 30, no. 1, pp. 31-38. (In Russian).

16. Wu B.J.C. Possible water vap or condensation in rocket exhaust plume. American Institute of Aeronautics and As-tronautics J. 1975, vol. 13, no. 6, pp. 797-802.

17. Zherebtsov G.A., Zavorin A.V., Medvedev A.V., Nosov V.E., Potekhin A.P., Shpynev B.G. Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Radiotekhnika i Elektronika [J. Communications Technology and Electronics]. 2002, vol. 47, no. 11, pp. 1339-1345. (In Russian).

Investigating the ionosphere response to exhaust products of “Progress” cargo spacecraft engines on the basis of Irkutsk Incoherent Scatter Radar data

ВВЕДЕНИЕ

Confirmation

Регистрация