航天器磁环境试验研究进展

2018-04-20徐超群易忠王斌孟立飞

国际太空 2018年3期

徐超群易忠王斌孟立飞

（北京卫星环境工程研究所）

1 引言

地球与星际空间的磁环境是影响航天器运行的重要环境之一，其影响程度与航天器自身的磁性大小有关。为满足各种性能要求，航天器需要使用一定量的磁性材料并存在一定的磁场。外界磁场的变化会引起航天器自身磁特性参数的改变，例如科学探测卫星，特别是进行磁场研究的卫星，要对卫星自身磁场加以限制，尤其是磁场监测器安装部位的磁场强度和稳定性的限制，才能保证探测数据的可靠性。对利用磁力矩器进行姿态控制和轨道定位的航天器，需要充分了解在轨磁性状态以确保控制的有效性和测量的精度。当有效载荷携带磁强计或其他对磁场敏感设备时，这些磁敏感设备所在位置的磁场必须是已知的，才能够正确评估这些设备工作期内采集到的数据。另外航天器长期的在轨运行，由于地磁场与其自身磁矩相互作用的累积，会改变航天器的轨道和姿态。

世界上研制航天器的国家从20世纪60年代就认识到航天器磁性研究的重要性，已逐步形成了磁性设计和磁试验规范。随着科技的发展和国防需要，航天器的发射数量也在不断增加，航天器的磁设计、计算和试验也越来越受到重视。

2 航天器磁试验设备

模拟航天器轨道运行中承受的磁环境及其效应的试验设备被称为磁试验设备，一般有磁屏蔽及线圈系统两种方法，目前后者采用较多。磁环境实验室有可控制的磁试验设备，可检测和分析航天器的磁特性。对于测量空间磁场分布的航天器，需要知道其自身的磁场数据；采用磁姿态控制的航天器还要在模拟运动磁场的环境下进行姿态控制系统的试验。通过这些磁环境试验，可获得准确的磁特性数据，并验证和改进航天器的磁净化设计。

美国磁试验设备

美国用于卫星磁试验的设备较多，其中美国国家航空航天局（NASA）戈达德空间飞行中心（GSFC）、阿姆斯研究中心（Ames ResearchC e n t e r）、汤普森-拉莫-伍尔德里奇公司（TRW）、地磁观象台及海军系统等均建有磁试验设备。

美国磁试验设备

德国IABG磁试验室

戈达德空间飞行中心的磁试验设备有两种名称：姿态控制试验设备（ACTF）或卫星磁试验设备（SMTF），它是多用途的大型磁试验设备，是目前世界上最先进的磁设备之一，可用于卫星姿态控制系统的试验，也可用作磁性测量。设备主要包括主线圈系统、充磁和退磁线圈系统、外干扰磁场控制系统和磁场测量与数据采集系统。

欧洲磁试验设备

（1）德国工业设备管理公司（IABG）

德国工业设备管理公司磁试验室的基本尺寸为20m×20m×20m，大门尺寸5m×5m。主要设备是产生模拟空间磁场环境的主线圈系统，由3个正交轴上的12个方形线圈组成，为三轴威德里西线圈，最大线圈边长15m，通道尺寸4m×4m。此种线圈形式结构尺寸与磁场均匀区相比不是最大，但线圈入口通道面积大，电流比简单，方形线圈结构便于设计和安装。该公司磁试验设备的地磁场监测探头放在距磁试验设备40m，深2.5m的地坑中。磁强计监测的地磁场变化值不控制线圈系统磁场，而是用来修正磁试验的磁场测量值。该设备的充退磁线圈为方形亥姆霍兹线圈形式，边长3.7m，两个线圈分别装在支撑小车上，间距可调节。

（2）欧洲空间技术研究中心（ESTEC）

欧洲空间技术研究中心隶属欧洲航天局（ESA），它有两台磁试验设备，线圈尺寸分别为1.06m和6m，它们均用于卫星部件的磁性能测试。对于6m线圈的磁试验设备，它由主线圈系统、充退磁装置、轨道及仪器组成。线圈形状为三轴方形亥姆霍兹线圈；不均匀性小于0.5%（在Φ1.5m球域内）；输入电流最大为20A；稳定性为±2×10－5；直流充磁磁场2.5mT；交流退磁磁场5mT；充、退磁线圈输入电流200A；退磁频率范围为0.1～5Hz。

（3）法国宇航环境工程试验中心（Intespace）

该设备可用来测量卫星部件的磁矩、磁场，试件的充磁与退磁及磁强计的校准。由主线圈、充退磁线圈、磁化台、空气轴承及福斯特磁强计等组成。线圈形状为方形；线圈最大尺寸为6m；均匀度为0.2%（Φ2m的球域内）；直流稳定场±60000nT；直流充磁最大幅值8000A/m；交流磁场频率范围0～0.3Hz；最大幅值50000nT。

日本磁试验设备

目前，日本较知名的大型磁试验设备位于宇宙开发事业集团（NASDA）。该集团筑波宇宙中心的大型磁试验设备主要用于卫星和其他系统、部件的磁性测试，以及对磁性敏感元件（如磁强计等）进行标定校准。磁试验设备主要由主线圈、等效线圈和控制、测试系统三大部分组成，分别置于主线圈室、等效线圈室和控制室内。主线圈形式为圆形，三轴布朗贝克线圈，最大线圈边长为15m。该设备采用闭环控制系统。使用一个与主线圈形式相同，尺寸缩小1/10的等效线圈。等效线圈绕组与主线圈外干扰控制绕组串联，等效线圈距主线圈40m，等效线圈内放一台三轴磁强计探头，当地磁场变化时，自动调节外干扰控制电源，调节主线圈磁场。

国内磁试验设备

北京卫星环境工程研究所的CM2磁试验室，拥有国内最大、功能最全的整星磁试验设备。从1994年开始设计、制造，1999年完工。设备的主线圈为威德里西四线圈系统，最大边长16m。设备为半地下构造，地下6.5m，地上12.4m。

CM2整星磁试验设备

CM2整星磁试验设备主要用于卫星的各种磁测量、姿态控制试验和充、退磁试验。设备主要由主线圈系统、电源系统、测量系统、充退磁系统和无磁操作系统等组成。系统能产生空间零磁场，小于60000nT任意方向的恒定磁场和动态磁场，最大为5mT的充、退磁场。

3 磁试验方法

航天器磁试验中测量的主要参数是卫星的磁场和磁矩。对携带磁敏感部件的卫星进行磁场测量，对姿态控制有要求的卫星进行磁矩测量。当卫星的磁场和磁矩不能满足磁性设计指标时，对卫星进行充、退磁和磁补偿试验，以达到卫星磁性设计的要求。

磁场测量

磁场测试采用直接测量，根据被测区域的磁场强度或磁场梯度张量，选择合适量程的测量仪器，特别是量子磁力仪的发展，会使磁场测量更加准确。目前比较成熟的磁场测量方法有：磁力法、电磁感应法、磁饱和法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法和磁光效应法等。

磁矩测量

卫星的磁矩可以用直接法和间接法两种方法进行测量。直接法使用力矩计测量磁矩和磁场相互作用产生的力矩来计算磁矩，包括：力矩法、脉冲共振法；间接法通过测量卫星的磁场分布，然后再通过数学分析计算得出，例如：偶极子法、球面作图法、赤道作图法、固定三分量磁场探测器法、磁矩动态测试法。

充退磁试验

通过对卫星的充磁和退磁试验，可以检验卫星磁稳定性及抗磁污染的能力。美国国家航空航天局等在20世纪70年代前后研制了卫星充退磁设备；20世纪90年代，中国空间技术研究院研制了方形亥姆霍兹线圈式的CM2充退磁设备；2002年，上海航天技术研究院建成螺旋管式充退磁设备。

一般采用的是直流充磁，在充磁试验中地磁场对充磁效果的影响很小，影响不同材料充磁效果的主要参数是起始磁化率。起始磁化率在充磁过程中起着至关重要的作用，其大小直接决定了充磁结束以后部件的磁极化强度。退磁的方法有三种：低频交流退磁、直流脉冲退磁和直流旋转退磁。这三种方法都能减少剩磁的90%左右，差别不超过5%。

磁补偿

卫星的磁矩或磁场超过技术指标要求，可以通过磁补偿来纠正。把经过标定的、已知其磁矩量值和方向的永磁体固定到卫星上，补偿磁体磁矩或磁场的方向与卫星磁矩或磁场方向相反，在一定距离范围磁体的磁场与卫星的磁场相互抵消，可以降低卫星的磁场，也可以通过降低卫星磁场减少卫星的磁矩。补偿磁体材料一般选用钐钴2∶17或钕铁硼。

4 磁仿真和虚拟技术应用

航天器磁试验技术早在20世纪60年代就得到应用，随着仿真和虚拟技术的发展，到20世纪90年代，磁性仿真和虚拟技术的应用才相对增多，研究的深度和广度在不断增加。国外有很多航天器的模拟软件，下面例举几个目前常用的磁场仿真技术应用。

日本

日本宇宙开发事业集团的航天器磁试验设备（SMTS）对磁场均匀性要求非常高，通过磁试验设备磁场扰动仿真计算，研究了外部建筑物和半球形凹坑对航天器磁试验设备的影响。另外，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和东京大学（University of Tokyo）联合对航天器太阳风推进系统进行数字化仿真，依据磁通守恒定律建立的磁性仿真模型，计算得到推进系统重要的物理参数。

美国

美国阿连特技术系统公司（A T KComposites）和阿尔特拉公司（Altera）的Quartus软件开发部门联合对航天器太阳电池阵的磁洁净进行了设计和仿真计算，取得良好效果，将磁场强度降至极低的水平。

欧洲

欧洲航天局和一些大学合作开发了针对磁试验的分析软件MAGNET，该软件包含多种静态场磁性建模方法：球谐分析法（SHA）、单偶极子移动法（WDM）、多偶极子法（MDM）、多偶极子和四极子法（MDMQ）等。能完成部件级、整星级磁试验数据处理任务，建立各种磁性仿真模型，进行磁净化、充退磁、磁补偿、整星磁场磁矩虚拟计算，同时也能指导磁设计，初步达到试验虚拟化程度。

国内

国内在20世纪70年代末开始航天器磁试验技术研究，采用的磁性建模方法有球面作图法、赤道作图法和磁偶极子法等。磁试验仿真和虚拟技术研究从20世纪90年代末开始，目前已完成多偶极子法磁场仿真软件开发，完成虚拟磁试验技术多项关键技术攻关，并已有一些项目应用。如对磁力矩器产生的磁场和磁矩进行仿真，并对周围带电粒子分布的影响进行分析。对二代导航卫星内部磁场分布进行计算，控制磁敏部件位置处的磁场。对地震减灾星进行整星磁性建模，计算磁力仪位置处的磁场强度。对硬X射线望远镜整星磁性建模，计算其主探测器位置处的磁场强度以及永久磁矩和感应磁矩，为卫星姿态控制和磁屏蔽设计提供支持等。