徐冰 （北京空間科技信息研究所）

美國(guó)發(fā)射“磁層多尺度”磁氣圈探測(cè)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(guó)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(kāi)啟了為期2年的磁重接（magnetic reconnection）現(xiàn)象探測(cè)之旅。

1　 項(xiàng)目概況

由4顆MMS組成的空間磁場(chǎng)探測(cè)星座，用于對(duì)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(kāi)展微觀(guān)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(gè)具體的科學(xué)目標(biāo)，按照優(yōu)先級(jí)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(jí)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(dòng)態(tài)過(guò)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(dòng)量的流動(dòng)，因此研究磁重接現(xiàn)象是人類(lèi)了解天體物理學(xué)和太陽(yáng)系統(tǒng)等離子體的基礎(chǔ)。

MMS任務(wù)由美國(guó)航空航天局科學(xué)任務(wù)委員會(huì)的太陽(yáng)物理學(xué)部門(mén)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(cè)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(duì)，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(guó)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(guó)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(guó)和日本等國(guó)際合作伙伴。

2005年5月，美國(guó)航空航天局決定讓西南研究所有效載荷研制團(tuán)隊(duì)與戈達(dá)德航天中心協(xié)同工作，共同負(fù)責(zé)MMS項(xiàng)目的任務(wù)設(shè)計(jì)。2009年5月，MMS項(xiàng)目通過(guò)初期設(shè)計(jì)評(píng)審，于2010年8月完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，2012年8月完成系統(tǒng)集成評(píng)審，開(kāi)始進(jìn)入整星集成階段，2013年8月進(jìn)入整星測(cè)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(jì)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(jì)，簡(jiǎn)化集成與測(cè)試流程。衛(wèi)星由姿態(tài)控制、推進(jìn)、電源、熱控和測(cè)控等分系統(tǒng)組成，側(cè)表面覆有850m2太陽(yáng)電池陣，采用被動(dòng)熱控技術(shù)，上下行測(cè)控均采用S頻段。每顆衛(wèi)星有8個(gè)可展開(kāi)吊桿，軸面（即衛(wèi)星上下面）各有一個(gè)長(zhǎng)12.5m的吊桿，裝有電場(chǎng)測(cè)量載荷，自旋面（即衛(wèi)星側(cè)面）裝有6個(gè)吊桿，其中4個(gè)長(zhǎng)60m，裝有電場(chǎng)測(cè)量載荷；另外2個(gè)長(zhǎng)5m，裝有磁強(qiáng)計(jì)。

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

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

由于磁重接現(xiàn)象主要存在于地球磁氣圈中的2個(gè)主要區(qū)域（見(jiàn)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(gè)區(qū)域的磁重接現(xiàn)象尺度不同，磁場(chǎng)方向也不同，因此，MMS任務(wù)分為2個(gè)階段進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。階段1主要探測(cè)地日面磁頂區(qū)域的磁重接現(xiàn)象，階段2主要探測(cè)地夜面磁尾區(qū)域的磁重接現(xiàn)象。2個(gè)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(cè)距與報(bào)警系統(tǒng)（IRAS），每個(gè)星間測(cè)距與報(bào)警系統(tǒng)只進(jìn)行單向星間距離測(cè)量，每隔4min測(cè)量1次。

階段1：探測(cè)區(qū)域受行星際磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)同時(shí)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(xiàn)30°之間的軌道弧段開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。

階段2：探測(cè)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(xiàn)30°～40°之間的軌道弧段開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。

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(xiàng)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(cè)目標(biāo)可分為熱等離子體、高能粒子和場(chǎng)3個(gè)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(kāi)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(tái)“快速等離子體儀器”，每臺(tái)“快速等離子體儀器”由1臺(tái)“雙離子傳感器”（DIS）和1臺(tái)“雙電子傳感器”（DES）組成，主要用于測(cè)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(cè)量時(shí)間分辨率30ms，離子測(cè)量時(shí)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(cè)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(shí)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(cè)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?guó)宇航公司（Aerospace Corporation）領(lǐng)導(dǎo)研制，每顆MMS衛(wèi)星裝有2臺(tái)“高能粒子傳感器”，主要用于測(cè)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(shí)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(cè)量離子成分和分布，能程約為45～500keV，時(shí)間分辨率30s。

場(chǎng)載荷組包括“模擬磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)”（AFG）、“數(shù)字磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)”（DFG）、“電子漂移儀器”（EDI）、“自旋面/軸面雙探針”（SDP/ADP）、“探測(cè)線(xiàn)圈磁強(qiáng)計(jì)”（SCM）和“中央電子箱”（CEB）共6種載荷，用于測(cè)量磁重接區(qū)域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)?！澳M磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)”和“數(shù)字磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)”載荷分別由美國(guó)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(lèi)型的磁強(qiáng)計(jì)在磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)可互為補(bǔ)充。每顆MMS衛(wèi)星裝有2臺(tái)“電子漂移儀器”。“電子漂移儀器”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(ài)荷華大學(xué)研制。其中一臺(tái)“電子漂移儀器”向另一臺(tái)噴射1keV的電子流，“電子漂移儀器”通過(guò)測(cè)量電子漂移情況來(lái)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)測(cè)量。

每顆MMS衛(wèi)星裝有4臺(tái)“自旋面探針”，球形傳感器安裝在衛(wèi)星自旋面吊桿頂端。“自旋面探針”由瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）和瑞典空間物理學(xué)院聯(lián)合研制?！拜S面探針”由美國(guó)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。“自旋面/軸面雙探針”共同實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)三維測(cè)量，精度為1mV/m?！疤綔y(cè)線(xiàn)圈磁強(qiáng)計(jì)”由法國(guó)地球與行星環(huán)境研究中心（CETP）研制，用于測(cè)量三維磁場(chǎng)。“中央電子箱”主要為場(chǎng)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(chǔ)、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(cè)；②飛行動(dòng)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(guó)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(chǔ)和分發(fā)；④SMART有效載荷團(tuán)隊(duì)設(shè)施（ITF），有效載荷團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證，有效載荷監(jiān)測(cè)和特殊操作需求，開(kāi)發(fā)快視和L2等級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品軟件系統(tǒng)，L2等級(jí)數(shù)據(jù)處理，開(kāi)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