卫星部件用大型螺旋管式充退磁设备设计

吴卫权，柳金生，王 浩，孙晓春，谢永权，王 韬，唐伟峰

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

卫星部件用大型螺旋管式充退磁设备设计

吴卫权，柳金生，王 浩，孙晓春，谢永权，王 韬，唐伟峰

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

在卫星的研制过程中，对磁性较大的部件进行充退磁处理是卫星磁试验的重要环节之一。文章简述了卫星充退磁原理、国内外卫星充退磁设备现状；提出了大型螺旋管方式充退磁设备技术方案和设计要求。设备的成功研制，填补了国内卫星磁测试领域的技术空白，已对数千个卫星部件、单机进行了充退磁试验，退磁效率达到40%～90%。

卫星；磁试验；充退磁；设备研制

0 引言

充退磁技术研究及设备应用早期主要在海军舰艇领域，由于舰艇尺寸大，其充退磁属于强磁领域，而卫星的充退磁为弱磁技术，用于舰艇的充退磁设备不能用于卫星的充退磁，但其充退磁原理和方法可以被借鉴。

NASA等在20世纪70年代前后成功研制了卫星充退磁设备。90年代期间，中国空间技术研究院借鉴国内外成功经验研制了方形亥姆霍兹线圈方式的CM2充退磁试验设备；上海航天技术研究院于2002年建成了长1.6 m、直径1.2 m的螺旋管式充退磁设备。

本文简述了卫星充退磁原理，比较了国内外充退磁设备的区别；提出了螺旋管式充退磁设备的技术方案和技术指标，并进行了计算论证；最后，对该设备辅助操作子系统的选材等做出规定，以保证操作系统设备无磁性这一重要技术条件的实现。

1 卫星充退磁目的和原理

卫星及其部件从零件到组装、环境试验、运输和发射的过程，要经受各种外部磁场环境的磁化；例如振动试验时，产品可能经受振动台2.5 mT左右的交流场磁化作用。在卫星研制过程中，对磁性较大的单机、部件进行充退磁处理，达到减小整星磁矩的目的，是卫星磁试验的重要环节之一［1］。

卫星的充退磁试验是在充退磁线圈中进行。充磁时，给线圈通以直流电流，其目的主要是为了改善磁稳定性，提高退磁效果。退磁时，是在抵消了外部磁场的近零磁空间中给线圈施加交流磁场，以破坏试件内因磁化而取向一致的磁畴，使它恢复到杂乱无章的状态；退磁过程中，退磁场峰值一定要高于充磁场，按照磁滞回线（B-H曲线）对试件进行充退磁。考虑到卫星部件材料复杂性，为使退磁效果达到最佳，一般在一个退磁周期内，退磁场以一定速率按指数衰减或直线衰减，并趋近于零，令试件的磁性变化达到B-H曲线退磁效果［2］。

2 国内外充退磁设备现状

2.1主要技术指标

国外非常重视卫星本体磁性控制，NASA、欧空局等均建造了大型卫星充退磁设备。NASA的几乎所有中低轨道卫星的部件都要求进行磁性评估，在发射之前，对卫星进行充、退磁试验。表1、表2列出了国内外一些主要的卫星充退磁设备线圈技术指标［3］。

表1　国内外零磁线圈主要技术指标Table 1　Specifications of zero-magnet coils at home and abroad

表2　国内外充退磁线圈主要技术指标Table 2　Specifications of magnetizing & demagnetizing coils at home and abroad

2.2不同线圈类型的特点

线圈是磁试验设备的主体，其类型直接影响着设备性能，选择的主要依据：1）要求的均匀性和对应空间；2）要求的通道面积；3）加工经济性。

线圈的类型很多：按形状有圆形、方形、螺旋管和球形等；按线圈数目有2、3、4、5、6个。线圈个数增多，虽然可以提高磁场均匀性，但进出口通道会变小；目前使用较多的线圈数是2个和4个，形状多用圆形和方形。表3列出了目前常用几种线圈类型，可以看出：亥姆霍兹线圈进出口通道面积最大、结构简单，但均匀区小；威氏线圈性能最好。

表3　各类线圈比较Table 3　Comparison of various coils

圆形和方形线圈各有优缺点，采用什么形状的线圈要根据具体条件而定，如磁场性能要求高，则应选用性能好的线圈。

表4　圆形和方形线圈结构比较Table 4　Structural comparison between square coils and round coils

结构设计的关键是如何提高加工、安装精度和满足无磁性要求，通过国内外设备分析，可归结为下列2种结构形式：

1）线圈槽框和支架是分开的，如日本和德国的。这种结构形式对大型线圈加工、安装精度易保证，便于尺寸偏差修正。

2）线圈框架是受力件，同时也是支撑件，如中国计量科学研究院的。尺寸不大的线圈多采用这种结构形式，每个线圈可在车间加工，现场绕线，尺寸精度易保证，安装也方便。

由于试验场地条件及产品尺寸等参数限制，自研设备拟采用第一种结构形式，即线槽框架和支架分开的单线圈对结构形式，充退磁线圈采用螺旋管方式。

3 螺旋管式充退磁设备的组成

整套设备主要由抵消地磁的近零磁亥姆霍兹线圈子系统（含电源）、充退磁螺旋管式线圈子系统（含程控电源）以及无磁操控子系统组成，如图1所示。

图1 螺旋管式充退磁设备组成Fig.1　Component of magnetizing & demagnetizing facilities with large spiral tube coils

1）亥姆霍兹线圈子系统

A.南-北向的方形亥姆霍兹零磁线圈对：抵消地球南-北向地磁场；

B.天-地方向的方形亥姆霍兹零磁线圈对：抵消地球天-地方向地磁场；

C.南-北向抵消地磁场电源：控制南-北向的方形亥姆霍兹线圈对电流；

D.天-地方向抵消地磁场电源：控制天-地方向的方形亥姆霍兹线圈对电流。

2）充退磁螺旋管式线圈子系统

E.充退磁螺旋管（含充退磁线圈绕组）：卫星部件可安放于螺旋管内进行充退磁试验；

F.充退磁电源：控制充退磁螺旋管线圈绕组电流，产生直流磁场、线性衰减磁场、指数衰减磁场。

3）无磁操控子系统

G.平台（由导轨和支撑脚构成的高架轻轨）：承载小推车、充退磁螺旋管等；

H.小型升降平台：安放在充退磁螺旋管内，可承载试验部件；

I.小推车：承载充退磁螺旋管，可沿轻轨移动操作；

J .导轨：承载小车进行移动作业；

K .螺旋管支撑架：固定螺旋管。

4 螺旋管式充退磁设备技术要求

4.1零磁线圈子系统

在直径 0.8 m的球域内，产生不均匀度优于±500 nT的磁场空间。

4.1.1主要性能指标

不均匀度、均匀区以及主线圈类型和尺寸是零磁线圈系统主框架的3个主要性能指标。

1）不均匀度指标：主要由充退磁衰减系数确定。由于设备电器参数等原因，磁场衰减不能达到绝对零值，根据常规经验，退磁场强度范围为±（50～0.005）×105nT；退磁剩余磁场为±500 nT，则不均匀度指标确定为500 nT，在此指标下设备能满足退磁场下限指标值的正常实现。

2）均匀区大小：由卫星部件尺寸确定。根据上海航天技术研究院在研和后续卫星部件尺寸，其直径（垂向和横向）均小于0.8 m，轴向尺寸不作限制，则取0.8 m的球形空间作为有效试验空间。

3）主框架线圈尺寸：取决于不均匀度、均匀区和采用的线圈类型。

综上，不均匀度和均匀区指标已确定，由载流线圈毕奥-萨伐磁场计算公式：当线圈类型采用方形亥姆霍兹线圈对结构时（如图2所示），依据亥姆霍兹条件，当线圈间距2C1与线圈边长2L1之比λ值为0.544 5时，可产生最佳的磁场均匀空间。

图2　垂直向方形载流线圈对参数示意图Fig.2　The parameters of a pair of square coils loaded with current in vertical direction

由毕奥-萨伐定理［4］，有

长度为2L1、间距2C1的方形载流线圈对在P（x0，y0， z0）产生磁场的表达式为

其中：n为线圈数；m为方形线圈边数。将式（2）按幂级数展开后，使其多项式除第一项外，尽可能多的项为零；根据1）、2）的技术要求，初步确定零磁线圈结构和技术参数指标见表5。主框架线圈最大边长 2L1取 3.3 m，线圈间距 2C1按 λ值为0.544 5确定（满足亥姆霍兹条件）。若通电电流I取1.5 A，经计算（详细推导略）得到不均匀度指标He、均匀区尺寸D之间关系（见表6）。根据本地区地磁场三方向的场值——东西向接近于零（远小于500 nT）；南北和垂直向40 000 nT左右，并考虑实际加工技术指标与理论场值的偏差，将东西向和垂直向额定场值放大1倍后，上述结构参数完全能满足上述1）、2）技术指标要求，零磁线圈结构和电参数见表7。

表5　零磁线圈主要技术指标Table 5　Specifications of the zero-magnet coils

表6　均匀区与不均匀度之间变化关系Table 6　The relationships between uniform area and its uniformity degree

表7　零磁线圈结构和电参数Table 7　Structural and electrical parameters of zero-magnet coils

4.1.2零磁线圈框架结构

零磁场线圈框架主要由3部分组成：

1）垂直线圈对：产生垂直方向补偿磁场；

2）南北线圈对：产生南北方向补偿磁场；

3）底座调平装置及支撑架：调节线圈整体水平，并支撑已连结的两组线圈。

整体结构采用铝框架方形结构，南北垂直线圈套在垂直向水平线圈对里面，分别对称放置。框架线槽内安置抵消地磁场线圈绕组：由漆包线（QZG—2/155）、接线柱等构成；框架其他附件均选用铜等无磁材料，牌号为［5］：紧固件螺杆（GB 152.3—1988）、垫片（JB/ZQ4335—1986）、螺帽（GB 923—1988）、螺母（GB 6172—1986）、螺栓（GB 11—1988），如图3、图4所示。

零磁线圈框架实际安装调试流程是：按当地实验室地磁东-西向特征值的实测值为基准线，沿该基准线安装并固定东-西向支撑架；再固定和确定地磁南-北、天-地向线圈框架的安装位置；最后进行优化和微调整个框架系统。

图3　零磁线圈主框架结构主视图Fig.3　Front view of main frame structure of zero-magnet coils

图4　零磁线圈主框架结构俯视图Fig.4　Top view of main frame structure of zero-magnet coils

考虑到线圈的高度及自身的重量，为保证其垂直度、平整度、牢固度，两组线圈的框架采用特制非标铝型材，剖面形状及尺寸如图5所示。

图5　铝槽剖面示意图Fig.5　Cross section of the aluminum groove

支撑架与水平线圈对连接，支撑架底座采用角铝，底边设有3个铜制（H62）调节螺丝，可调节系统水平。水平线圈对框架与垂直线圈对框架连接；两组线圈的各自连接均选用角铝，形状及尺寸如图6所示。

图6　L型角铝剖面示意图Fig.6　Cross section of L-type aluminum

4.1.3抵消地磁场的可调恒流电源装置

1）恒流源不确定度：1×10-4；

2）电流输出范围：0～2 A；

3）电压输出范围：0～120 V；

4）数字式直流稳压电源：2 A，120 V；

5）电阻箱范围：0～9 999.9 Ω；

6）数字电流表：4位半。

4.1.4线圈参数指标

由式（2）简化后得：边长2L1、间距为2C1的方形线圈对（设线圈匝数为W、线圈对中所通电流均为I），在距线圈对中心轴线z处的合成磁场为

式中：令z=0.4 m，I=1.5 A，B=8×104nT，µ0=4π× 10-7H/m，则W=108。

线圈参数：边长2L1=3.3 m；周长C =3.3×4= 13.2 m；总长L=13.2 ×108 × 2=2 851.2 m（2个线圈）；线径1mm。根据线圈尺寸，可计算得到电阻R总=22.4 Ω/km×2.851 km=63.86 Ω；重量G = 7.1kg/km× 2.851 km=20.24 kg。

4.2充退磁螺旋管

充退磁线圈采用螺旋管线圈，且螺旋管安装在小推车上，可从南-北方向进出零磁场线圈（见图1）。4.2.1主要技术指标

最大充磁磁场：该指标主要考虑卫星部件在加工、运输和环境试验中可能经受的最大环境磁场，按NASA标准设定为3.0×10-3T。

最大退磁磁场：对于铁磁材料，可以选用最大场值等于或超过材料的最大矫顽力，这个场值能够较好地去除材料各种磁化引起的磁场。若退磁初始最大值选择偏低，则退磁效果差；若选择太大，则可能引起卫星某些部件如光谱仪、调速管等的退磁损伤。根据国内外标准，退磁磁场初始值选取为5.0×10-3T，这个场值可以保证低矫顽力的软铁磁材料完全退磁。这个场值不会影响星上的一些如铷铁硼、镍铬钴等强磁体的磁性，因此不会改变含有这些磁体元件的卫星部件的工作特性［6］。

螺旋管大小尺寸：取决于均匀区、充退磁卫星部件尺寸、进出口通道，以及零磁线圈采用的线圈类型、尺寸等，通过理论计算，确定为直径1.2 m，长1.6 m。

退磁场衰减特性：由于充退磁部件材料的复杂性，根据国内外标准方法分别采用指数衰减和直线衰减两种方式。

螺旋管交流退磁的优点是操控设备结构简单，试件放在交流磁场中，试件不必转动。考虑到涡流和退磁效果，均采用低频消磁方法，电流频率0.1～1.0 Hz。

综上，主要技术指标确定如下：

尺寸：直径1.2 m，长1.6 m，有效试验空间φ0.8 m球域；

螺旋管中央最大充磁强度：±25 Gs；

退磁场强度范围：±5×106～500 nT；

φ0.8 m球域不均匀度：10%；

退磁剩余磁场：±500 nT。

4.2.2充、退磁电源

考虑到充退磁电源技术指标特殊性，即：电流正负交变衰减，退磁频率较高，负载电感大，小电流、高电压、高精度等特性，电源输出电流值最大为15 A，线圈电阻为12.4 Ω 左右，输出电压最小设计为186 V左右。由于负载是大电感，退磁频率比较高（1 Hz）。要有较快的上升时间，就必须提高电压值，因此电源输出电压设计为0～300 V。

从技术指标中可以看出，退磁时电源输出精度要达到满量程的10-4，即最小输出电流值为1.5 mA，要保证其精度将电源设计成大电源和小电源的组合方式：大电源为可控硅电源，其输出电流为1～15 A；小电源为大功率运放电源，其输出电流为1.5 mA～1 A。

整个电源采用计算机控制，电流数字闭环控制以保证输出电流精度，如图7所示。

图7　程控电源控制流程Fig.7　Flowchart of program-controlled power supply

4.2.3充、退磁电源设计指标

输出电流：0～15 A连续可调；

输出电压：0～300 V连续可调；

交流退磁时间：≤60 s；

交流退磁频率：0.1～1 Hz（频率调节细度为0.1 Hz）；

直流充磁时间分档范围设定为5、10、20、30、40、50、60 s；

退磁场衰减特性：线性及指数衰减；

具有输入过压、欠压、缺相、输出开路、短路等保护，当出现异常时，会发出声光报警、故障显示等功能。

4.2.4充、退磁螺旋管

螺旋管本体［4］及骨架（如图8所示）采用高强度、无磁性玻璃钢环氧纤维（SW905）复合材料制作，管内径1.2 m，长1.6 m，管壁厚10mm；平板采用酚醛层压布板3136，承载力500 kg。

图8　螺线管本体示意图Fig.8　Schematic diagram of the spiral tube body

根据技术指标要求，螺旋管中央须产生最大退磁场强度为±50×105nT ，其磁场计算为

式中：Hx为距螺旋管中心轴线上 x处磁场强度；µ0=4π×10-7H/m；W为螺旋管线圈匝数；I为线圈通电电流；x为螺旋管轴线上距中心点距离；l为1/2螺旋管长度；ρ1为不含线圈厚度的螺旋管外径；ρ2为含线圈厚度后的螺旋管外径；d为螺旋管线圈厚度。

螺旋管剖面图见图9。已知：2l=1.6 m；ρ1=0.61 m；ρ2=（0.61+d）；d取0.002 5， 0.005 0， 0.007 5 m （线径的倍数）；H0=50×105nT；W=534 匝。

图9　螺旋管剖面图Fig.9　Sectional view of the spiral tube

计算出螺旋管中心（x=0）轴向磁场H0（设I= 15 A）为

为保证φ0.8 m球形区域的退磁磁场值不小于5.0×106nT，计算出沿螺线管轴线方向距中心点0.4 m处，Hx=5.0×106nT，I=15 A，x=0.4m时，螺线管绕线匝数W=590；螺旋管内腔中距中心点其他位置处磁场分布见表8。表中数据表明：当充退磁场值达到50×105nT时，螺旋管中心区φ0.8 m球域内能满足10%不均匀度指标要求。

综上，考虑余量后，取线圈匝数W=600。

表8　螺旋管内磁场分布（以螺旋管中心为0点）Table 8　Distribution of magnetic fields within the spiral tube

4.3操纵子系统

操纵子系统主要由小车、导轨、支架等组成，用于卫星部件及螺线管的安置、移动等功能。

4.3.1小推车

小推车（见图10）由小车框架（铝型材LD314060）、小车平板（铝材 LY12）、轮架（铜H62）、轮轴（铜H62）、轮子（铜H62）等组成。其中平板尺寸为1300mm×1200mm×40mm，承载力为750 kg，整个结构选择无磁材料。

图10　小推车示意图Fig.10　Schematic diagram of the trolley

4.3.2高架轻轨

高架轻轨由框架（铝型材LD314060）、平台导轨（铝材LC9）、调整底垫（铜材H62）等构成。当小推车装载螺旋管后，可以灵活地在高架轻轨上移动。高架轻轨长6 m，宽1.0 m，高1.1 m，承载力750 kg。其主、侧视图及小型升降平台如图11～图13所示。

图11　高架轻轨主视图Fig.11　Front view of the elevated light rail

图12　高架轻轨侧视图Fig.12　Side view of the elevated light rail

图 13　小型升降平台示意图Fig.13　Schematic diagram of the small lifting platform

5 充退磁试验结果

对航天器部件、组件进行充退磁是控制航天器磁矩、减小某些特定位置上磁场的一项重要技术手段。表9列举了一些航天器典型部件在本设备上进行充退磁试验前后的磁场数据实测结果［7］。

表9　航天器典型部件充退磁磁场数据Table 9　Typical data of magnetizing & demagnetizing field for spacecraft components

6 结束语

大型螺旋管式卫星充退磁设备成功研制，实际证明其设计合理、适用性强，满足上海卫星技术研究院在研和预研各种卫星部件的充退磁试验任务。

系统关键设备充退磁电源的退磁频率和时间选择范围宽，精度高，充退磁选择方式多；充退磁螺旋管有效空间大，强度高，耐热性好；高架轻轨设计轻巧，占地空间小；小型升降平台收缩范围及升降力矩大；小推车承载力大、摩擦力及推力小。以上设计保证了充退磁试验时试件的稳定性、安全性和可操作性。

整套设备构思独特，投资少，造价低（70万人民币），维护简便。设备的投入使用，填补了国内卫星领域特大螺旋管方式充退磁设备空白；已对数千个卫星部件、单机进行了充退磁试验，试验结果理想，退磁效率达到40%～90%。该设备为进一步减小卫星磁矩，延长卫星寿命做出了积极贡献，产生了较大的经济效益。

（

）

［1］Magnetic expose monitoring of the aerospace， NASA TM-4322 PD ED 1207［R］， 1991

［2］Discussing of magnetic parts， NASA TM-4322 PD ED 1220［R］， 1991

［3］Acuna M H.The design and test of magnetically clean spaccraft： a practical guide［M］.Goddard Space Flight Center.Greenbelt， MD 20771， 1971

［4］赵凯华， 陈熙谋.电磁学（上）［M］.北京： 高等教育出版社， 1985： 100-130

［5］赵凯华， 陈熙谋.电磁学（下）［M］.北京： 高等教育出版社， 1985： 80-98

［6］Moskowitz R， Lynch R.Magnetostatic measurement of spacecraft magnetic dipole moment［J］.IEEE trans Aerospace， 1970， 2（22）

［7］Anon Iufer E J： Assessment and control of spacecraft magnetic fields， NASA SP-8037［R］， 1970

（编辑：闫德葵）

Design of magnetizing and demagnetizing facility with large solenoid for spacecraft components

Wu Weiquan， Liu Jinsheng， Wang Hao， Sun Xiaochun， Xie Yongquan， Wang Tao， Tang Weifeng
（Shanghai Institute of Spacecraft Equipment， Shanghai 200240， China）

The magnetization and demagnetization for some onboard components with strong magnetism is one of the important steps in the magnetic test for satellite.This paper briefly discusses the principle and the current situation of magnetizing and demagnetizing facilities for satellite development at home and abroad， then presents the technical schemes and specifications of a self-developed facility.The successful development of this facility has filled the technical gaps in the domestic magnetic test field.Up to now， thousands of satellite components and onboard instruments have been demagnetized by the facility， and the efficiency of demagnetization is about 40%～90%.

satellite； magnetic test； magnetization and demagnetization； facility development

V416.5； P318.6+3

B

1673-1379（2015）06-0660-08

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.019

吴卫权（1965—），男，高级工程师，从事航天器磁设计、磁测试工作。E-mail： 13636581835@163.com。

2015-01-06；

2015-11-19