Družice Magion (1 až 5) – Systémová architektura, vlnová fyzika a magnetosférická plazmologie

Projekt Magion vyvinutý v oddělení kosmické fyziky Ústavu fyziky atmosféry ČSAV/AV ČR představoval první realizaci konceptu subdružicového diferenciálního měření (two-point spatial-temporal deconvolution).

Při měření skalární nebo vektorové fyzikální veličiny pole $mathbf{F}(mathbf{r}, t)$ jednou družicí je totální časová derivace měřená senzorem dána konvektivním vztahem:

kde $mathbf{v}${mathrm{sat}} je orbitální rychlost družice. V jednobodovém měření nelze odlišit lokální časovou variaci $rac{partial mathbf{F}}{partial t}$ (např. průchod magnetohydrodynamické vlny) od prostorového gradientu $(mathbf{v}{mathrm{sat}} cdot
abla)mathbf{F}$ (např. překročení plazmapauzy či proudu na magnetopauze).

Při současném měření dvěma subdružicemi (mateřská družice Interbol a subdružice Magion) oddělenými vektorem prostorové báze $Deltamathbf{r} = mathbf{r}_2 - mathbf{r}_1$:

Čeští vědci tak dokázali určit tloušťku hraničních vrstev magnetosféry, rychlost postupu rázových vln slunečního větru a disperzní charakteristiky nízkofrekvenčních vln.

---

Družice Magion byly specializovány na měření nízkofrekvenčních elektromagnetických polí v režimech ULF ($0{,}1 ext{--}10,mathrm{Hz}$), ELF ($10 ext{--}1,000,mathrm{Hz}$) a VLF ($1 ext{--}40,mathrm{kHz}$).

Vlnové šíření v magnetosférickém studeném magnetizovaném plazmatu se řídí Appletonovým-Hartreeovým vztahem. Pro pravotočivě kruhově polarizované elektromagnetické vlny šířící se podél geomagnetických siločar ($mathbf{k} parallel mathbf{B}$0) v pásmu $omega{mathrm{ci}} ll omega ll omega_{mathrm{ce}}$ platí disperzní relace pro hvizdový mód (whistler mode):

kde:

• Plazmová frekvence elektronů: omega_{mathrm{pe}} = sqrt{rac{n_e e^2}{arepsilon_0 m_e}}
• Cyklotronová (gyroskopická) frekvence elektronů: omega_{mathrm{ce}} = rac{e B_0}{m_e}
• $heta$ je úhel mezi vlnovým vektorem $mathbf{k}$ a magnetickým polem $mathbf{B}_0$.

Družice Magion registrovaly disperzi bleskových hvizdů generovaných v troposféře a šířících se magnetosférickými plazmovými dukty. Ze zpoždění $t(omega)$ integrovaného podél trajektorie:

byl prováděn dálkový monitoring ekvatoriální elektronové hustoty $n_e$ v magnetosféře až do vzdáleností několika zemských poloměrů ($L$-škála $L sim 2 ext{--}6$).

---

Magion 4 (1995, projekt Interbol-Tail) a Magion 5 (1996, projekt Interbol-Auroral) představovaly vrcholnou vývojovou fázi českých mikrodružic:

• Konstrukce: Těleso tvořené hliníkovo-hořčíkovou kostrou tvaru zkráceného mnohostěnu o průměru $920,mathrm{mm}$ a výšce $650,mathrm{mm}$.
• Orientace a stabilizace: Dynamická spinová stabilizace rotací kolem hlavní osy setrvačnosti ($f_{mathrm{rot}} approx 0{,}1 ext{--}0{,}2,mathrm{Hz}$), orientovaná na Slunce pomocí solárních čidel a magnetických cívek generujících magnetický moment pro interakci s geomagnetickým polem.
• Napájecí subsystém: Osm rozkládacích solárních panelů osazených arsenid-galliovými (GaAs) fotovoltaickými články s počátečním výkonem $P approx 35 ext{--}40,mathrm{W}$ a hermetický blok nikl-kadmiových (NiCd) akumulátorů o kapacitě $8,mathrm{Ah}$.
• Telemetrie a povelování: Povelový přijímač v pásmu VHF ($149,mathrm{MHz}$), telemetrické vysílače na frekvencích $137,mathrm{MHz}$ a mikrovlnný digitální spoj $1{,}26,mathrm{GHz}$ s reálnou přenosovou rychlostí až $40{,}96,mathrm{kbitcdot s^{-1}}$.

---

Magion 5 byl naveden na vysoce eliptickou polární dráhu s perigeem $790,mathrm{km}$, apogeem $192,000,mathrm{km}$ (polovina vzdálenosti k Měsíci!) a inklinací $i = 63{,}4^circ$.

• Po selhání napájení (pokles napětí na sběrnici pod $9,mathrm{V}$ vlivem přetížení solárního regulátoru) byla družice považována za ztracenou.
• Analýza orbitální precese provedená v ÚFA ukázala, že změna polohy roviny dráhy vůči Slunci během 20 měsíců změní teplotní poměry v regulátoru.
• Dne 7. května 1998 ve 12:47 UTC zachytila anténa v Panské Vsi první slabý nosný signál na $137,mathrm{MHz}$. Během následujících týdnů byl kompletně přehrán software palubního počítače a Magion 5 dodával cenná data o dynamice aurorálního urychlování elektronů až do léta 2002, čímž potvrdil neuvěřitelnou odolnost a spolehlivost české kosmické konstrukce.