徐冰 （北京空間科技信息研究所）

美國發(fā)射“磁層多尺度”磁氣圈探測星座

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

2 0 1 5年3月1 3日，美國航空航天局（N A S A）的4顆“磁層多尺度”（MMS）衛(wèi)星搭乘宇宙神-5運(yùn)載火箭發(fā)射升空，開啟了為期2年的磁重接（magnetic reconnection）現(xiàn)象探測之旅。

1　 項目概況

由4顆MMS組成的空間磁場探測星座，用于對地球磁氣圈內(nèi)磁重接、高能粒子加速和湍流3種等離子體效應(yīng)開展微觀物理學(xué)研究。MMS任務(wù)的總科學(xué)目標(biāo)是研究磁重接物理現(xiàn)象，它有3個具體的科學(xué)目標(biāo)，按照優(yōu)先級分別為研究電子慣性效應(yīng)和湍流分散在磁重接現(xiàn)象中的作用，磁重接現(xiàn)象的等級和影響因素，以及離子慣性效應(yīng)在磁重接現(xiàn)象中的作用。MMS任務(wù)將首次展現(xiàn)在地球等離子體空間環(huán)境中自然產(chǎn)生的磁重接物理現(xiàn)象的小尺度三維結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程。磁重接現(xiàn)象可引起等離子體區(qū)域的能量、質(zhì)量和動量的流動，因此研究磁重接現(xiàn)象是人類了解天體物理學(xué)和太陽系統(tǒng)等離子體的基礎(chǔ)。

MMS任務(wù)由美國航空航天局科學(xué)任務(wù)委員會的太陽物理學(xué)部門管理，戈達(dá)德航天中心（GSFC）負(fù)責(zé)研制4顆衛(wèi)星和星間測距通信系統(tǒng)。西南研究所（SwRI）將帶領(lǐng)一眾合作單位組成有效載荷研制團(tuán)隊，共同負(fù)責(zé)科學(xué)研究和有效載荷研制工作，具體包括美國新罕布什爾州大學(xué)、戈達(dá)德航天中心、約翰霍普金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（JHU/ APL）、美國科羅拉多大學(xué)的大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室（LASP），以及奧地利、瑞典、法國和日本等國際合作伙伴。

2005年5月，美國航空航天局決定讓西南研究所有效載荷研制團(tuán)隊與戈達(dá)德航天中心協(xié)同工作，共同負(fù)責(zé)MMS項目的任務(wù)設(shè)計。2009年5月，MMS項目通過初期設(shè)計評審，于2010年8月完成關(guān)鍵設(shè)計評審，2012年8月完成系統(tǒng)集成評審，開始進(jìn)入整星集成階段，2013年8月進(jìn)入整星測試階段。

2　 衛(wèi)星系統(tǒng)

MMS星座運(yùn)行于大橢圓軌道，由4顆完全相同的衛(wèi)星組成，在軌道中采用可調(diào)整的四面體構(gòu)型，星間距離數(shù)十千米到數(shù)百千米。每顆衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約1250kg（其中推進(jìn)劑360kg），壽命末期功率約318W，設(shè)計壽命2年。星體由鋁材料制成，呈八棱柱體構(gòu)型，截面直徑3.5m，高1.2m，采用自旋穩(wěn)定控制方式，轉(zhuǎn)速為3r/min。MMS衛(wèi)星采用模塊化設(shè)計，簡化集成與測試流程。衛(wèi)星由姿態(tài)控制、推進(jìn)、電源、熱控和測控等分系統(tǒng)組成，側(cè)表面覆有850m2太陽電池陣，采用被動熱控技術(shù)，上下行測控均采用S頻段。每顆衛(wèi)星有8個可展開吊桿，軸面（即衛(wèi)星上下面）各有一個長12.5m的吊桿，裝有電場測量載荷，自旋面（即衛(wèi)星側(cè)面）裝有6個吊桿，其中4個長60m，裝有電場測量載荷；另外2個長5m，裝有磁強(qiáng)計。

MMS星座采用“一箭四星”發(fā)射，在發(fā)射前，除需對單星進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)外，還需對4顆衛(wèi)星堆棧整體進(jìn)行額外測試。

MMS星座可實(shí)現(xiàn)同時在空間多點(diǎn)獲取測量數(shù)據(jù)，能夠區(qū)分空間變化和時間演變，進(jìn)而避免單星測量常出現(xiàn)的空間-時間模糊問題。

MMS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖

地球磁氣圈中磁重接現(xiàn)象多發(fā)區(qū)域（紅色區(qū)域）

3　 軌道設(shè)計

由于磁重接現(xiàn)象主要存在于地球磁氣圈中的2個主要區(qū)域（見圖“地球磁氣圈中磁重接現(xiàn)象多發(fā)區(qū)域”的紅色區(qū)域），這2個區(qū)域的磁重接現(xiàn)象尺度不同，磁場方向也不同，因此，MMS任務(wù)分為2個階段進(jìn)行科學(xué)探測。階段1主要探測地日面磁頂區(qū)域的磁重接現(xiàn)象，階段2主要探測地夜面磁尾區(qū)域的磁重接現(xiàn)象。2個階段采用不同的運(yùn)行軌道和星間構(gòu)型，星間距離由目標(biāo)區(qū)域磁重接物理現(xiàn)象的尺度大小決定。為了保持精確星座構(gòu)型，每顆衛(wèi)星都安裝了戈達(dá)德航天中心研制的星間測距與報警系統(tǒng)（IRAS），每個星間測距與報警系統(tǒng)只進(jìn)行單向星間距離測量，每隔4min測量1次。

階段1：探測區(qū)域受行星際磁場與地磁場同時作用，MMS星座采用1.2Re（近地點(diǎn)）×12Re（遠(yuǎn)地點(diǎn)）（1Re=6371km，為地球半徑）高度軌道，星間距離為10～160km。星座在地日面距離地球9Re以上，日地線30°之間的軌道弧段開展科學(xué)探測。

階段2：探測區(qū)域如MMS星座構(gòu)型圖右側(cè)紅色區(qū)域，MMS星座采用1.2 Re×25 Re高度軌道，星間距離為30～400km，星座在地夜面距離地球15 Re以上，日地線30°～40°之間的軌道弧段開展科學(xué)探測。

MMS采用堆棧式發(fā)射構(gòu)型

MMS星座構(gòu)型

4　 主要有效載荷

西南研究所帶領(lǐng)其他機(jī)構(gòu)的研究人員共同組成了MMS科學(xué)研究項目組，名為“解決磁疇加速、重接與湍流”（SMART）。

MMS衛(wèi)星的有效載荷按照探測目標(biāo)可分為熱等離子體、高能粒子和場3個載荷組。

熱等離子體載荷組包括“快速等離子體儀器”（FPI）、“熱等離子體成分分析儀”（HPCA）兩種載荷?！翱焖俚入x子體儀器”由戈達(dá)德航天中心領(lǐng)導(dǎo)研制，參與機(jī)構(gòu)包括西南研究所，日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)/宇宙科學(xué)研究所（JAXA/ISAS）、馬歇爾航天中心（MSFC）等。每顆MMS衛(wèi)星裝有4臺“快速等離子體儀器”，每臺“快速等離子體儀器”由1臺“雙離子傳感器”（DIS）和1臺“雙電子傳感器”（DES）組成，主要用于測量離子和電子的三維通量分布，能程約為10eV～30keV，能量分辨率為20%。電子測量時間分辨率30ms，離子測量時間分辨率150ms。“熱等離子體成分分析儀”由西南研究所領(lǐng)導(dǎo)研制，用于測量高通量區(qū)域的氧和氦等離子，能程約為10eV～30keV，能量分辨率為20%，時間分辨率為15s?！盁岬入x子體成分分析儀”可精確區(qū)分和確定磁氣圈中氫、氦、氧等離子的微小含量，而且該儀器魯棒性好，功率低，質(zhì)量小，非常適于空間科學(xué)探測任務(wù)。

高能粒子載荷組包括“高能粒子傳感器”（F E E P S）、“高能離子光譜儀”（E I S）2種載荷?！案吣芰Ｗ觽鞲衅鳌庇擅绹詈焦荆ˋerospace Corporation）領(lǐng)導(dǎo)研制，每顆MMS衛(wèi)星裝有2臺“高能粒子傳感器”，主要用于測量高能離子和高能電子的通量分布，能程約為25～500keV（電子）和45～500keV（離子），時間分辨率10s。“高能離子光譜儀”由應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)研制，用于測量離子成分和分布，能程約為45～500keV，時間分辨率30s。

場載荷組包括“模擬磁通門磁強(qiáng)計”（AFG）、“數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計”（DFG）、“電子漂移儀器”（EDI）、“自旋面/軸面雙探針”（SDP/ADP）、“探測線圈磁強(qiáng)計”（SCM）和“中央電子箱”（CEB）共6種載荷，用于測量磁重接區(qū)域的電場和磁場?！澳M磁通門磁強(qiáng)計”和“數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計”載荷分別由美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校和布倫瑞克工業(yè)大學(xué)研制。這2種不同類型的磁強(qiáng)計在磁場測量時可互為補(bǔ)充。每顆MMS衛(wèi)星裝有2臺“電子漂移儀器”?！半娮悠苾x器”由電子噴射組件和光學(xué)組件組成，電子噴射組件由奧地利科學(xué)院空間研究所研制，光學(xué)組件由愛荷華大學(xué)研制。其中一臺“電子漂移儀器”向另一臺噴射1keV的電子流，“電子漂移儀器”通過測量電子漂移情況來實(shí)現(xiàn)電場和磁場測量。

每顆MMS衛(wèi)星裝有4臺“自旋面探針”，球形傳感器安裝在衛(wèi)星自旋面吊桿頂端?！白孕嫣结槨庇扇鸬浠始依砉W(xué)院（KTH）和瑞典空間物理學(xué)院聯(lián)合研制。“軸面探針”由美國科羅拉多大學(xué)的大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室和新罕布什爾大學(xué)研制，傳感器安裝在衛(wèi)星軸面吊桿頂端?！白孕?軸面雙探針”共同實(shí)現(xiàn)電場三維測量，精度為1mV/m?！疤綔y線圈磁強(qiáng)計”由法國地球與行星環(huán)境研究中心（CETP）研制，用于測量三維磁場。“中央電子箱”主要為場載荷組提供所需功率、控制和數(shù)據(jù)處理。

MMS衛(wèi)星有效載荷配置圖

5　 地面段

MMS地面段負(fù)責(zé)MMS星座的在軌運(yùn)行管理，以及衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)、存儲、管理和分發(fā)。MMS地面段具體包括：①任務(wù)運(yùn)行中心（MOC），位于戈達(dá)德航天中心，負(fù)責(zé)衛(wèi)星在軌運(yùn)行和遙控遙測；②飛行動態(tài)操作區(qū)（FDOA），位于戈達(dá)德航天中心，負(fù)責(zé)衛(wèi)星軌道和姿態(tài)確定與控制；③科學(xué)運(yùn)行中心（SOC），位于美國科羅拉多大學(xué)的大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室，由有效載荷運(yùn)行中心（POC）和科學(xué)數(shù)據(jù)中心（SDC）組成，負(fù)責(zé)有效載荷操作，數(shù)據(jù)處理、存儲和分發(fā)；④SMART有效載荷團(tuán)隊設(shè)施（ITF），有效載荷團(tuán)隊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證，有效載荷監(jiān)測和特殊操作需求，開發(fā)快視和L2等級數(shù)據(jù)產(chǎn)品軟件系統(tǒng)，L2等級數(shù)據(jù)處理，開發(fā)公共應(yīng)用數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析工具等；⑤教育與公眾宣傳（EPO），位于萊斯大學(xué)，負(fù)責(zé)向?qū)W校和公眾分發(fā)教育材料。

Magnetospheric Multiscale Mission Launched In March