航天器磁環(huán)境試驗研究進展

徐超群 易忠 王斌 孟立飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）

1 引言

地球與星際空間的磁環(huán)境是影響航天器運行的重要環(huán)境之一，其影響程度與航天器自身的磁性大小有關(guān)。為滿足各種性能要求，航天器需要使用一定量的磁性材料并存在一定的磁場。外界磁場的變化會引起航天器自身磁特性參數(shù)的改變，例如科學(xué)探測衛(wèi)星，特別是進行磁場研究的衛(wèi)星，要對衛(wèi)星自身磁場加以限制，尤其是磁場監(jiān)測器安裝部位的磁場強度和穩(wěn)定性的限制，才能保證探測數(shù)據(jù)的可靠性。對利用磁力矩器進行姿態(tài)控制和軌道定位的航天器，需要充分了解在軌磁性狀態(tài)以確?？刂频挠行院蜏y量的精度。當(dāng)有效載荷攜帶磁強計或其他對磁場敏感設(shè)備時，這些磁敏感設(shè)備所在位置的磁場必須是已知的，才能夠正確評估這些設(shè)備工作期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)。另外航天器長期的在軌運行，由于地磁場與其自身磁矩相互作用的累積，會改變航天器的軌道和姿態(tài)。

世界上研制航天器的國家從20世紀(jì)60年代就認(rèn)識到航天器磁性研究的重要性，已逐步形成了磁性設(shè)計和磁試驗規(guī)范。隨著科技的發(fā)展和國防需要，航天器的發(fā)射數(shù)量也在不斷增加，航天器的磁設(shè)計、計算和試驗也越來越受到重視。

2 航天器磁試驗設(shè)備

模擬航天器軌道運行中承受的磁環(huán)境及其效應(yīng)的試驗設(shè)備被稱為磁試驗設(shè)備，一般有磁屏蔽及線圈系統(tǒng)兩種方法，目前后者采用較多。磁環(huán)境實驗室有可控制的磁試驗設(shè)備，可檢測和分析航天器的磁特性。對于測量空間磁場分布的航天器，需要知道其自身的磁場數(shù)據(jù)；采用磁姿態(tài)控制的航天器還要在模擬運動磁場的環(huán)境下進行姿態(tài)控制系統(tǒng)的試驗。通過這些磁環(huán)境試驗，可獲得準(zhǔn)確的磁特性數(shù)據(jù)，并驗證和改進航天器的磁凈化設(shè)計。

美國磁試驗設(shè)備

美國用于衛(wèi)星磁試驗的設(shè)備較多，其中美國國家航空航天局（NASA）戈達德空間飛行中心（GSFC）、阿姆斯研究中心（Ames ResearchC e n t e r）、湯普森-拉莫-伍爾德里奇公司（TRW）、地磁觀象臺及海軍系統(tǒng)等均建有磁試驗設(shè)備。

美國磁試驗設(shè)備

德國IABG磁試驗室

戈達德空間飛行中心的磁試驗設(shè)備有兩種名稱：姿態(tài)控制試驗設(shè)備（ACTF）或衛(wèi)星磁試驗設(shè)備（SMTF），它是多用途的大型磁試驗設(shè)備，是目前世界上最先進的磁設(shè)備之一，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的試驗，也可用作磁性測量。設(shè)備主要包括主線圈系統(tǒng)、充磁和退磁線圈系統(tǒng)、外干擾磁場控制系統(tǒng)和磁場測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

歐洲磁試驗設(shè)備

（1）德國工業(yè)設(shè)備管理公司（IABG）

德國工業(yè)設(shè)備管理公司磁試驗室的基本尺寸為20m×20m×20m，大門尺寸5m×5m。主要設(shè)備是產(chǎn)生模擬空間磁場環(huán)境的主線圈系統(tǒng)，由3個正交軸上的12個方形線圈組成，為三軸威德里西線圈，最大線圈邊長15m，通道尺寸4m×4m。此種線圈形式結(jié)構(gòu)尺寸與磁場均勻區(qū)相比不是最大，但線圈入口通道面積大，電流比簡單，方形線圈結(jié)構(gòu)便于設(shè)計和安裝。該公司磁試驗設(shè)備的地磁場監(jiān)測探頭放在距磁試驗設(shè)備40m，深2.5m的地坑中。磁強計監(jiān)測的地磁場變化值不控制線圈系統(tǒng)磁場，而是用來修正磁試驗的磁場測量值。該設(shè)備的充退磁線圈為方形亥姆霍茲線圈形式，邊長3.7m，兩個線圈分別裝在支撐小車上，間距可調(diào)節(jié)。

（2）歐洲空間技術(shù)研究中心（ESTEC）

歐洲空間技術(shù)研究中心隸屬歐洲航天局（ESA），它有兩臺磁試驗設(shè)備，線圈尺寸分別為1.06m和6m，它們均用于衛(wèi)星部件的磁性能測試。對于6m線圈的磁試驗設(shè)備，它由主線圈系統(tǒng)、充退磁裝置、軌道及儀器組成。線圈形狀為三軸方形亥姆霍茲線圈；不均勻性小于0.5%（在Φ1.5m球域內(nèi)）；輸入電流最大為20A；穩(wěn)定性為±2×10－5；直流充磁磁場2.5mT；交流退磁磁場5mT；充、退磁線圈輸入電流200A；退磁頻率范圍為0.1～5Hz。

（3）法國宇航環(huán)境工程試驗中心（Intespace）

該設(shè)備可用來測量衛(wèi)星部件的磁矩、磁場，試件的充磁與退磁及磁強計的校準(zhǔn)。由主線圈、充退磁線圈、磁化臺、空氣軸承及福斯特磁強計等組成。線圈形狀為方形；線圈最大尺寸為6m；均勻度為0.2%（Φ2m的球域內(nèi)）；直流穩(wěn)定場±60000nT；直流充磁最大幅值8000A/m；交流磁場頻率范圍0～0.3Hz；最大幅值50000nT。

日本磁試驗設(shè)備

目前，日本較知名的大型磁試驗設(shè)備位于宇宙開發(fā)事業(yè)集團（NASDA）。該集團筑波宇宙中心的大型磁試驗設(shè)備主要用于衛(wèi)星和其他系統(tǒng)、部件的磁性測試，以及對磁性敏感元件（如磁強計等）進行標(biāo)定校準(zhǔn)。磁試驗設(shè)備主要由主線圈、等效線圈和控制、測試系統(tǒng)三大部分組成，分別置于主線圈室、等效線圈室和控制室內(nèi)。主線圈形式為圓形，三軸布朗貝克線圈，最大線圈邊長為15m。該設(shè)備采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。使用一個與主線圈形式相同，尺寸縮小1/10的等效線圈。等效線圈繞組與主線圈外干擾控制繞組串聯(lián)，等效線圈距主線圈40m，等效線圈內(nèi)放一臺三軸磁強計探頭，當(dāng)?shù)卮艌鲎兓瘯r，自動調(diào)節(jié)外干擾控制電源，調(diào)節(jié)主線圈磁場。

國內(nèi)磁試驗設(shè)備

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的CM2磁試驗室，擁有國內(nèi)最大、功能最全的整星磁試驗設(shè)備。從1994年開始設(shè)計、制造，1999年完工。設(shè)備的主線圈為威德里西四線圈系統(tǒng)，最大邊長16m。設(shè)備為半地下構(gòu)造，地下6.5m，地上12.4m。

CM2整星磁試驗設(shè)備

CM2整星磁試驗設(shè)備主要用于衛(wèi)星的各種磁測量、姿態(tài)控制試驗和充、退磁試驗。設(shè)備主要由主線圈系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、充退磁系統(tǒng)和無磁操作系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)能產(chǎn)生空間零磁場，小于60000nT任意方向的恒定磁場和動態(tài)磁場，最大為5mT的充、退磁場。

3 磁試驗方法

航天器磁試驗中測量的主要參數(shù)是衛(wèi)星的磁場和磁矩。對攜帶磁敏感部件的衛(wèi)星進行磁場測量，對姿態(tài)控制有要求的衛(wèi)星進行磁矩測量。當(dāng)衛(wèi)星的磁場和磁矩不能滿足磁性設(shè)計指標(biāo)時，對衛(wèi)星進行充、退磁和磁補償試驗，以達到衛(wèi)星磁性設(shè)計的要求。

磁場測量

磁場測試采用直接測量，根據(jù)被測區(qū)域的磁場強度或磁場梯度張量，選擇合適量程的測量儀器，特別是量子磁力儀的發(fā)展，會使磁場測量更加準(zhǔn)確。目前比較成熟的磁場測量方法有：磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、電磁效應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等。

磁矩測量

衛(wèi)星的磁矩可以用直接法和間接法兩種方法進行測量。直接法使用力矩計測量磁矩和磁場相互作用產(chǎn)生的力矩來計算磁矩，包括：力矩法、脈沖共振法；間接法通過測量衛(wèi)星的磁場分布，然后再通過數(shù)學(xué)分析計算得出，例如：偶極子法、球面作圖法、赤道作圖法、固定三分量磁場探測器法、磁矩動態(tài)測試法。

充退磁試驗

通過對衛(wèi)星的充磁和退磁試驗，可以檢驗衛(wèi)星磁穩(wěn)定性及抗磁污染的能力。美國國家航空航天局等在20世紀(jì)70年代前后研制了衛(wèi)星充退磁設(shè)備；20世紀(jì)90年代，中國空間技術(shù)研究院研制了方形亥姆霍茲線圈式的CM2充退磁設(shè)備；2002年，上海航天技術(shù)研究院建成螺旋管式充退磁設(shè)備。

一般采用的是直流充磁，在充磁試驗中地磁場對充磁效果的影響很小，影響不同材料充磁效果的主要參數(shù)是起始磁化率。起始磁化率在充磁過程中起著至關(guān)重要的作用，其大小直接決定了充磁結(jié)束以后部件的磁極化強度。退磁的方法有三種：低頻交流退磁、直流脈沖退磁和直流旋轉(zhuǎn)退磁。這三種方法都能減少剩磁的90%左右，差別不超過5%。

磁補償

衛(wèi)星的磁矩或磁場超過技術(shù)指標(biāo)要求，可以通過磁補償來糾正。把經(jīng)過標(biāo)定的、已知其磁矩量值和方向的永磁體固定到衛(wèi)星上，補償磁體磁矩或磁場的方向與衛(wèi)星磁矩或磁場方向相反，在一定距離范圍磁體的磁場與衛(wèi)星的磁場相互抵消，可以降低衛(wèi)星的磁場，也可以通過降低衛(wèi)星磁場減少衛(wèi)星的磁矩。補償磁體材料一般選用釤鈷2∶17或釹鐵硼。

4 磁仿真和虛擬技術(shù)應(yīng)用

航天器磁試驗技術(shù)早在20世紀(jì)60年代就得到應(yīng)用，隨著仿真和虛擬技術(shù)的發(fā)展，到20世紀(jì)90年代，磁性仿真和虛擬技術(shù)的應(yīng)用才相對增多，研究的深度和廣度在不斷增加。國外有很多航天器的模擬軟件，下面例舉幾個目前常用的磁場仿真技術(shù)應(yīng)用。

日本

日本宇宙開發(fā)事業(yè)集團的航天器磁試驗設(shè)備（SMTS）對磁場均勻性要求非常高，通過磁試驗設(shè)備磁場擾動仿真計算，研究了外部建筑物和半球形凹坑對航天器磁試驗設(shè)備的影響。另外，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）和東京大學(xué)（University of Tokyo）聯(lián)合對航天器太陽風(fēng)推進系統(tǒng)進行數(shù)字化仿真，依據(jù)磁通守恒定律建立的磁性仿真模型，計算得到推進系統(tǒng)重要的物理參數(shù)。

美國

美國阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（A T KComposites）和阿爾特拉公司（Altera）的Quartus軟件開發(fā)部門聯(lián)合對航天器太陽電池陣的磁潔凈進行了設(shè)計和仿真計算，取得良好效果，將磁場強度降至極低的水平。

歐洲

歐洲航天局和一些大學(xué)合作開發(fā)了針對磁試驗的分析軟件MAGNET，該軟件包含多種靜態(tài)場磁性建模方法：球諧分析法（SHA）、單偶極子移動法（WDM）、多偶極子法（MDM）、多偶極子和四極子法（MDMQ）等。能完成部件級、整星級磁試驗數(shù)據(jù)處理任務(wù)，建立各種磁性仿真模型，進行磁凈化、充退磁、磁補償、整星磁場磁矩虛擬計算，同時也能指導(dǎo)磁設(shè)計，初步達到試驗虛擬化程度。

國內(nèi)

國內(nèi)在20世紀(jì)70年代末開始航天器磁試驗技術(shù)研究，采用的磁性建模方法有球面作圖法、赤道作圖法和磁偶極子法等。磁試驗仿真和虛擬技術(shù)研究從20世紀(jì)90年代末開始，目前已完成多偶極子法磁場仿真軟件開發(fā)，完成虛擬磁試驗技術(shù)多項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并已有一些項目應(yīng)用。如對磁力矩器產(chǎn)生的磁場和磁矩進行仿真，并對周圍帶電粒子分布的影響進行分析。對二代導(dǎo)航衛(wèi)星內(nèi)部磁場分布進行計算，控制磁敏部件位置處的磁場。對地震減災(zāi)星進行整星磁性建模，計算磁力儀位置處的磁場強度。對硬X射線望遠鏡整星磁性建模，計算其主探測器位置處的磁場強度以及永久磁矩和感應(yīng)磁矩，為衛(wèi)星姿態(tài)控制和磁屏蔽設(shè)計提供支持等。

多磁偶極子仿真軟件建模示意圖

航天器虛擬磁試驗平臺軟件示意圖

5 發(fā)展設(shè)想和建議

目前，國內(nèi)航天器磁試驗設(shè)備和技術(shù)方面與國外相比還有不足之處，主要表現(xiàn)在：缺乏大型整星磁試驗設(shè)備；磁探儀器種類較少，并且精度有待提高；建模的理論研究不夠全面；磁試驗仿真軟件可視化和二次開發(fā)功能較弱。

隨著航天器各項指標(biāo)的提高和磁試驗項目逐步增多，預(yù)示著航天器的磁性要求變得更高。小型磁試驗設(shè)備和簡單的地面磁試驗已經(jīng)不能滿足航天器新的要求，我國應(yīng)不斷更新自身的裝備和技術(shù)：

1）加大對航天器整星磁試驗設(shè)備投入，加快多種磁試驗設(shè)備研制，發(fā)展高精度的測量設(shè)備和測量方法；

2）開展各種磁試驗方法研究，特別是衛(wèi)星姿態(tài)模擬方法和磁凈化方法；

3）同時研制航天器在軌磁異常監(jiān)控和修復(fù)系統(tǒng)，發(fā)展磁場照相技術(shù)；

4）根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，加強理論研究和多參量可視化建模體系，開發(fā)高端智能模擬平臺，實現(xiàn)人機智能化和數(shù)字化。