日本“荒瀨”地球空間能量和輻射探測衛(wèi)星入軌

王存恩 （北京空間科技信息研究所）

日本“荒瀨”地球空間能量和輻射探測衛(wèi)星入軌

Japan's ERG Satellite Entered Orbit

王存恩 （北京空間科技信息研究所）

2016年12月20日，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）在鹿兒島縣的內(nèi)之浦宇宙空間觀測所成功發(fā)射了小型運載火箭“艾普斯龍”（Epsilon），將1顆“荒瀨”地球空間能量和輻射探測（ERG）衛(wèi)星送入預定軌道。

1 引言

“荒瀨”是一顆執(zhí)行地球空間能量和輻射探測任務的小型科學衛(wèi)星。該衛(wèi)星由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)負責設計，以日本電氣公司（NEC）為主要承包商，用于對范艾倫輻射帶進行高精度綜合觀測。

范艾倫輻射帶是環(huán)繞地球的高能粒子輻射帶，在地球附近呈甜甜圈狀分布。受太空環(huán)境的干擾，在范艾倫帶的中心部位存在一個變化極其明顯的極寬能帶—10eV～20MeV，橫跨6個量級。衛(wèi)星將穿過范艾倫輻射帶，觀測其電子和電磁場的變化，并調(diào)查構(gòu)成輻射帶的高能電子產(chǎn)生的原因和過程等，探測環(huán)繞地球的強輻射帶之謎。此外，由于輻射帶還會導致人造衛(wèi)星故障，觀測結(jié)果將有助于解決這一問題，并為進一步的深空探測和航天員的輻射對策研究提供依據(jù)。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)與北海道大學、東北大學、東北工業(yè)大學、東京工業(yè)大學、國立極地研究所、情報通信研究機構(gòu)等國內(nèi)外30多所大學和研究機構(gòu)的近100名研究人員參加了這顆衛(wèi)星有效載荷儀器的研制。為推進該衛(wèi)星的應用，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)和名古屋大學成立了衛(wèi)星科學中心，專門負責發(fā)布獲取的公開科學數(shù)據(jù)，以及所需軟件的開發(fā)。

2 研制目的與意義

研制目的

研制并發(fā)射“荒瀨”衛(wèi)星的核心目的是搞清楚3個問題：①高能電子急劇增加究竟是外部提供能量還是內(nèi)部加速所致；②等離子體波動產(chǎn)生高能電子的過程；③在范艾倫帶生成高能電子的原因與消失過程。

在設計上，該衛(wèi)星采用高水平的電磁相容性設計，確保星載元器件、儀器和設備經(jīng)受住苛刻的強輻射考驗，同時有效利用星上所能提供的有限資源，確保其在設計壽命內(nèi)的高可靠性。

研制意義

（1）科學意義

“荒瀨”衛(wèi)星將在長達1年的時間內(nèi)對范艾倫帶進行高精度的綜合觀測，獲取大量珍貴的科學數(shù)據(jù)，弄清構(gòu)成輻射帶的高能電子產(chǎn)生的原因和機制，以及對太陽活動的影響，分析地球空間宇宙風的生成和發(fā)展過程，解開宇宙風是怎樣使位于范艾倫帶的功能電子加速之謎。

（2）技術(shù)意義

通過“荒瀨”衛(wèi)星的開發(fā)及其在軌設計應用，進一步驗證標準小衛(wèi)星公用平臺設計的合理性，確認有效載荷儀器的先進性，以及發(fā)射該衛(wèi)星用的強化型“艾普斯龍”火箭的性能和功能，以滿足后續(xù)任務需求。

3 衛(wèi)星概況

“荒瀨”衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約350kg，采用“改進型標準小衛(wèi)星公用平臺”（SPRINT－B），由機構(gòu)、熱控、數(shù)據(jù)處理、通信、電源、姿態(tài)控制、推進等7個分系統(tǒng)組成，同時配置雙對稱式的太陽電池翼以確保提供所需電能。衛(wèi)星的控制采用自旋穩(wěn)定方式，自旋速率為7.5r/min，自旋周期為8s，標稱姿態(tài)控制精度優(yōu)于1′。

“荒瀨”衛(wèi)星性能指標

4 有效載荷

“荒瀨”衛(wèi)星搭載了9種觀測儀器，包括6種等離子體粒子觀測儀器（PPE），以及磁場觀測儀（MGF）、等離子波動和電場觀測儀（PWE）和觀測波動粒子相互作用的軟件型分析儀（S-WPIA）3種科學觀測儀器。

等離子體粒子觀測儀器

衛(wèi)星上共搭載了6種等離子體粒子觀測儀器，包括4種電子測量儀器和2種離子測量儀器。4種電子測量儀器分別是低能電子分析儀（LEP-e）、中能電子分析儀（MEP-e）、高能電子分析儀（HEP）和超高能電子分析儀（XEP）；2種離子測量儀器分別是低能離子質(zhì)量分析儀（LEP-i）和中能離子質(zhì)量分析儀（MEP-i）。由于衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定方式，上述觀測儀器在每個自旋周期內(nèi)均能精確地對準觀測對象，集中采集到所需的各種粒子信息。

受范艾倫帶高能粒子的影響，要測量到范艾倫帶中數(shù)十千電子伏特以下的低能粒子相當困難。衛(wèi)星采用了一種加屏蔽的辦法，在降低范艾倫帶中高能粒子影響的同時，確保儀器對范艾倫帶中數(shù)十千電子伏特以下低能粒子的全部觀測。

低能離子質(zhì)量分析儀和中能離子質(zhì)量分析儀是對離子能量和質(zhì)量進行分析用的儀器。衛(wèi)星采用飛行時間分析法（TOF），既可有效減輕因受高能粒子影響產(chǎn)生的噪聲，又能同時對若干種離子進行測量。目前，該衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了對直到180keV/q離子的全立體角方向的測量。

磁場觀測儀

衛(wèi)星搭載的磁場觀測儀與“水星磁層軌道器”（MMO）的磁場觀測器（MGF-I）性能和功能相近。在后者開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，“荒瀨”衛(wèi)星采用驗證后的一體化民用器件，不僅大幅降低了開發(fā)成本，還保證技術(shù)的先進性和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，使對輻射帶的各項觀測達到精準化。此外，為降低噪聲對獲取觀測數(shù)據(jù)的影響，衛(wèi)星本體前端還配置了長達5m、入軌后展開的伸展桿。

等離子體波動和電場觀測儀

等離子體波動和電場觀測儀由電場觀測敏感器（PWE-WPT，即線性天線）、磁場觀測敏感器（PWE-MSC，即跟蹤線圈）和觀測電子線路（PWE-E）3部分組成。其觀測對象為：不隨時間變化而變化的電場、最高以10MHz頻率振動的等離子體波動電場，以及從幾赫茲到100kHz的等離子體波動磁場。其中，兩種電場觀測敏感器均用于觀測電場成分，兩端之間各配有一對長度約32m的短波、超短波用兩極線性天線；磁場觀測敏感器實際上是一種3軸跟蹤線圈，用于觀測磁場成分。

利用上述電場觀測敏感器和觀測電子線路，不僅可以獲取電場和磁場數(shù)據(jù)，還可以確定分布在空間的電場、等離子體波動的傳遞方向和能量的傳輸方向等信息。此外，在觀測等離子體波動的同時，還可確定衛(wèi)星周邊的等離子體密度。最后將以上信息傳送給觀測波動粒子相互作用的軟件型分析儀，用于調(diào)查波動粒子間的能量轉(zhuǎn)換。

觀測波動粒子相互作用的軟件型分析儀

觀測波動粒子相互作用的軟件型分析儀是最新研制的一種儀器，通過觀測波動粒子間的相互作用，得出等離子體（電子）與等離子體波動之間能量交換過程。

根據(jù)衛(wèi)星搭載的粒子測量儀（中能電子分析儀、高能電子分析儀和超高能電子分析儀）檢測出的電子與等離子體波動，以及電場觀測儀檢測出的等離子體波動，分析儀可以直接計算出它們之間的相對相位關系—這是世界上首臺具備觀測波動粒子相互作用功能的分析儀。利用該分析儀進行測量，可以定量地識別出產(chǎn)生等離子體波動的電子，以及等離子體波動后產(chǎn)生能量的電子，進而了解太空中因波動粒子的相互作用導致的能量變換。

毛凌野/本文編輯