日本“荒瀨”地球空間能量和輻射探測衛星入軌

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機構（JAXA）在鹿兒島縣的內之浦宇宙空間觀測所成功發射了小型運載火箭“艾普斯龍”（Epsilon），將1顆“荒瀨”地球空間能量和輻射探測（ERG）衛星送入預定軌道。

1 引言

“荒瀨”是一顆執行地球空間能量和輻射探測任務的小型科學衛星。該衛星由日本宇宙航空研究開發機構負責設計，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。衛星將穿過范艾倫輻射帶，觀測其電子和電磁場的變化，并調查構成輻射帶的高能電子產生的原因和過程等，探測環繞地球的強輻射帶之謎。此外，由于輻射帶還會導致人造衛星故障，觀測結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。

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

2 研制目的與意義

研制目的

研制并發射“荒瀨”衛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部加速所致；②等離子體波動產生高能電子的過程；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的高可靠性。

研制意義

（1）科學意義

“荒瀨”衛星將在長達1年的時間內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據，弄清構成輻射帶的高能電子產生的原因和機制，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）技術意義

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

3 衛星概況

“荒瀨”衛星發射質量約350kg，采用“改進型標準小衛星公用平臺”（SPRINT－B），由機構、熱控、數據處理、通信、電源、姿態控制、推進等7個分系統組成，同時配置雙對稱式的太陽電池翼以確保提供所需電能。衛星的控制采用自旋穩定方式，自旋速率為7.5r/min，自旋周期為8s，標稱姿態控制精度優于1′。

“荒瀨”衛星性能指標

4 有效載荷

“荒瀨”衛星搭載了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量分析儀（LEP-i）和中能離子質量分析儀（MEP-i）。由于衛星采用自旋穩定方式，上述觀測儀器在每個自旋周期內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十千電子伏特以下的低能粒子相當困難。衛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十千電子伏特以下低能粒子的全部觀測。

低能離子質量分析儀和中能離子質量分析儀是對離子能量和質量進行分析用的儀器。衛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生的噪聲，又能同時對若干種離子進行測量。目前，該衛星已經實現了對直到180keV/q離子的全立體角方向的測量。

磁場觀測儀

衛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。在后者開發經驗的基礎上，“荒瀨”衛星采用驗證后的一體化民用器件，不僅大幅降低了開發成本，還保證技術的先進性和產品質量的可靠性，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據的影響，衛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據，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，用于調查波動粒子間的能量轉換。

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。

根據衛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生等離子體波動的電子，以及等離子體波動后產生能量的電子，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