航天器磁環境試驗研究進展

徐超群 易忠 王斌 孟立飛

（北京衛星環境工程研究所）

1 引言

地球與星際空間的磁環境是影響航天器運行的重要環境之一，其影響程度與航天器自身的磁性大小有關。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的改變，例如科學探測衛星，特別是進行磁場研究的衛星，要對衛星自身磁場加以限制，尤其是磁場監測器安裝部位的磁場強度和穩定性的限制，才能保證探測數據的可靠性。對利用磁力矩器進行姿態控制和軌道定位的航天器，需要充分了解在軌磁性狀態以確保控制的有效性和測量的精度。當有效載荷攜帶磁強計或其他對磁場敏感設備時，這些磁敏感設備所在位置的磁場必須是已知的，才能夠正確評估這些設備工作期內采集到的數據。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。

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

2 航天器磁試驗設備

模擬航天器軌道運行中承受的磁環境及其效應的試驗設備被稱為磁試驗設備，一般有磁屏蔽及線圈系統兩種方法，目前后者采用較多。磁環境實驗室有可控制的磁試驗設備，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據；采用磁姿態控制的航天器還要在模擬運動磁場的環境下進行姿態控制系統的試驗。通過這些磁環境試驗，可獲得準確的磁特性數據，并驗證和改進航天器的磁凈化設計。

美國磁試驗設備

美國用于衛星磁試驗的設備較多，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等均建有磁試驗設備。

美國磁試驗設備

德國IABG磁試驗室

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

歐洲磁試驗設備

（1）德國工業設備管理公司（IABG）

德國工業設備管理公司磁試驗室的基本尺寸為20m×20m×20m，大門尺寸5m×5m。主要設備是產生模擬空間磁場環境的主線圈系統，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。此種線圈形式結構尺寸與磁場均勻區相比不是最大，但線圈入口通道面積大，電流比簡單，方形線圈結構便于設計和安裝。該公司磁試驗設備的地磁場監測探頭放在距磁試驗設備40m，深2.5m的地坑中。磁強計監測的地磁場變化值不控制線圈系統磁場，而是用來修正磁試驗的磁場測量值。該設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，間距可調節。

（2）歐洲空間技術研究中心（ESTEC）

歐洲空間技術研究中心隸屬歐洲航天局（ESA），它有兩臺磁試驗設備，線圈尺寸分別為1.06m和6m，它們均用于衛星部件的磁性能測試。對于6m線圈的磁試驗設備，它由主線圈系統、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）；輸入電流最大為20A；穩定性為±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）法國宇航環境工程試驗中心（Intespace）

該設備可用來測量衛星部件的磁矩、磁場，試件的充磁與退磁及磁強計的校準。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）；直流穩定場±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。

日本磁試驗設備

目前，日本較知名的大型磁試驗設備位于宇宙開發事業集團（NASDA）。該集團筑波宇宙中心的大型磁試驗設備主要用于衛星和其他系統、部件的磁性測試，以及對磁性敏感元件（如磁強計等）進行標定校準。磁試驗設備主要由主線圈、等效線圈和控制、測試系統三大部分組成，分別置于主線圈室、等效線圈室和控制室內。主線圈形式為圓形，三軸布朗貝克線圈，最大線圈邊長為15m。該設備采用閉環控制系統。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，等效線圈距主線圈40m，等效線圈內放一臺三軸磁強計探頭，當地磁場變化時，自動調節外干擾控制電源，調節主線圈磁場。

國內磁試驗設備

北京衛星環境工程研究所的CM2磁試驗室，擁有國內最大、功能最全的整星磁試驗設備。從1994年開始設計、制造，1999年完工。設備的主線圈為威德里西四線圈系統，最大邊長16m。設備為半地下構造，地下6.5m，地上12.4m。

CM2整星磁試驗設備

CM2整星磁試驗設備主要用于衛星的各種磁測量、姿態控制試驗和充、退磁試驗。設備主要由主線圈系統、電源系統、測量系統、充退磁系統和無磁操作系統等組成。系統能產生空間零磁場，小于60000nT任意方向的恒定磁場和動態磁場，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是衛星的磁場和磁矩。對攜帶磁敏感部件的衛星進行磁場測量，對姿態控制有要求的衛星進行磁矩測量。當衛星的磁場和磁矩不能滿足磁性設計指標時，對衛星進行充、退磁和磁補償試驗，以達到衛星磁性設計的要求。

磁場測量

磁場測試采用直接測量，根據被測區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展，會使磁場測量更加準確。目前比較成熟的磁場測量方法有：磁力法、電磁感應法、磁飽和法、電磁效應法、磁共振法、超導效應法和磁光效應法等。

磁矩測量

衛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；間接法通過測量衛星的磁場分布，然后再通過數學分析計算得出，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、磁矩動態測試法。

充退磁試驗

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

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是起始磁化率。起始磁化率在充磁過程中起著至關重要的作用，其大小直接決定了充磁結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

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

4 磁仿真和虛擬技術應用

航天器磁試驗技術早在20世紀60年代就得到應用，隨著仿真和虛擬技術的發展，到20世紀90年代，磁性仿真和虛擬技術的應用才相對增多，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應用。

日本

日本宇宙開發事業集團的航天器磁試驗設備（SMTS）對磁場均勻性要求非常高，通過磁試驗設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備的影響。另外，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和東京大學（University of Tokyo）聯合對航天器太陽風推進系統進行數字化仿真，依據磁通守恒定律建立的磁性仿真模型，計算得到推進系統重要的物理參數。

美國

美國阿連特技術系統公司（A T KComposites）和阿爾特拉公司（Altera）的Quartus軟件開發部門聯合對航天器太陽電池陣的磁潔凈進行了設計和仿真計算，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合作開發了針對磁試驗的分析軟件MAGNET，該軟件包含多種靜態場磁性建模方法：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、整星級磁試驗數據處理任務，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，同時也能指導磁設計，初步達到試驗虛擬化程度。

國內

國內在20世紀70年代末開始航天器磁試驗技術研究，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研究從20世紀90年代末開始，目前已完成多偶極子法磁場仿真軟件開發，完成虛擬磁試驗技術多項關鍵技術攻關，并已有一些項目應用。如對磁力矩器產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。對二代導航衛星內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磁矩，為衛星姿態控制和磁屏蔽設計提供支持等。

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 發展設想和建議

目前，國內航天器磁試驗設備和技術方面與國外相比還有不足之處，主要表現在：缺乏大型整星磁試驗設備；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功能較弱。

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

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

2）開展各種磁試驗方法研究，特別是衛星姿態模擬方法和磁凈化方法；

3）同時研制航天器在軌磁異常監控和修復系統，發展磁場照相技術；

4）根據現有的技術水平，加強理論研究和多參量可視化建模體系，開發高端智能模擬平臺，實現人機智能化和數字化。