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(cè)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(jī)構(gòu)（JAXA）在鹿兒島縣的內(nèi)之浦宇宙空間觀測(cè)所成功發(fā)射了小型運(yùn)載火箭“艾普斯龍”（Epsilon），將1顆“荒瀨”地球空間能量和輻射探測(cè)（ERG）衛(wèi)星送入預(yù)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(cè)任務(wù)的小型科學(xué)衛(wèi)星。該衛(wèi)星由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，以日本電氣公司（NEC）為主要承包商，用于對(duì)范艾倫輻射帶進(jìn)行高精度綜合觀測(cè)。

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(gè)變化極其明顯的極寬能帶—10eV～20MeV，橫跨6個(gè)量級(jí)。衛(wèi)星將穿過范艾倫輻射帶，觀測(cè)其電子和電磁場(chǎng)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(cè)環(huán)繞地球的強(qiáng)輻射帶之謎。此外，由于輻射帶還會(huì)導(dǎo)致人造衛(wèi)星故障，觀測(cè)結(jié)果將有助于解決這一問題，并為進(jìn)一步的深空探測(cè)和航天員的輻射對(duì)策研究提供依據(jù)。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)與北海道大學(xué)、東北大學(xué)、東北工業(yè)大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、國(guó)立極地研究所、情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)等國(guó)內(nèi)外30多所大學(xué)和研究機(jī)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(jìn)該衛(wèi)星的應(yīng)用，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和名古屋大學(xué)成立了衛(wèi)星科學(xué)中心，專門負(fù)責(zé)發(fā)布獲取的公開科學(xué)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(gè)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(dòng)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(shè)計(jì)上，該衛(wèi)星采用高水平的電磁相容性設(shè)計(jì)，確保星載元器件、儀器和設(shè)備經(jīng)受住苛刻的強(qiáng)輻射考驗(yàn)，同時(shí)有效利用星上所能提供的有限資源，確保其在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的高可靠性。

研制意義

（1）科學(xué)意義

“荒瀨”衛(wèi)星將在長(zhǎng)達(dá)1年的時(shí)間內(nèi)對(duì)范艾倫帶進(jìn)行高精度的綜合觀測(cè)，獲取大量珍貴的科學(xué)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(jī)制，以及對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的影響，分析地球空間宇宙風(fēng)的生成和發(fā)展過程，解開宇宙風(fēng)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(shè)計(jì)應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)小衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性，確認(rèn)有效載荷儀器的先進(jìn)性，以及發(fā)射該衛(wèi)星用的強(qiáng)化型“艾普斯龍”火箭的性能和功能，以滿足后續(xù)任務(wù)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(jìn)型標(biāo)準(zhǔn)小衛(wèi)星公用平臺(tái)”（SPRINT－B），由機(jī)構(gòu)、熱控、數(shù)據(jù)處理、通信、電源、姿態(tài)控制、推進(jìn)等7個(gè)分系統(tǒng)組成，同時(shí)配置雙對(duì)稱式的太陽(yáng)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(biāo)稱姿態(tài)控制精度優(yōu)于1′。

“荒瀨”衛(wèi)星性能指標(biāo)

4 有效載荷

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

等離子體粒子觀測(cè)儀器

衛(wèi)星上共搭載了6種等離子體粒子觀測(cè)儀器，包括4種電子測(cè)量?jī)x器和2種離子測(cè)量?jī)x器。4種電子測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x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(cè)儀器在每個(gè)自旋周期內(nèi)均能精確地對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)對(duì)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(cè)量到范艾倫帶中數(shù)十千電子伏特以下的低能粒子相當(dāng)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(shí)，確保儀器對(duì)范艾倫帶中數(shù)十千電子伏特以下低能粒子的全部觀測(cè)。

低能離子質(zhì)量分析儀和中能離子質(zhì)量分析儀是對(duì)離子能量和質(zhì)量進(jìn)行分析用的儀器。衛(wèi)星采用飛行時(shí)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(shí)對(duì)若干種離子進(jìn)行測(cè)量。目前，該衛(wèi)星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直到180keV/q離子的全立體角方向的測(cè)量。

磁場(chǎng)觀測(cè)儀

衛(wèi)星搭載的磁場(chǎng)觀測(cè)儀與“水星磁層軌道器”（MMO）的磁場(chǎng)觀測(cè)器（MGF-I）性能和功能相近。在后者開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，“荒瀨”衛(wèi)星采用驗(yàn)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(jìn)性和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，使對(duì)輻射帶的各項(xiàng)觀測(cè)達(dá)到精準(zhǔn)化。此外，為降低噪聲對(duì)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，衛(wèi)星本體前端還配置了長(zhǎng)達(dá)5m、入軌后展開的伸展桿。

等離子體波動(dòng)和電場(chǎng)觀測(cè)儀

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

利用上述電場(chǎng)觀測(cè)敏感器和觀測(cè)電子線路，不僅可以獲取電場(chǎng)和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，還可以確定分布在空間的電場(chǎng)、等離子體波動(dòng)的傳遞方向和能量的傳輸方向等信息。此外，在觀測(cè)等離子體波動(dòng)的同時(shí)，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(cè)波動(dòng)粒子相互作用的軟件型分析儀，用于調(diào)查波動(dòng)粒子間的能量轉(zhuǎn)換。

觀測(cè)波動(dòng)粒子相互作用的軟件型分析儀

觀測(cè)波動(dòng)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(cè)波動(dòng)粒子間的相互作用，得出等離子體（電子）與等離子體波動(dòng)之間能量交換過程。

根據(jù)衛(wèi)星搭載的粒子測(cè)量?jī)x（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(cè)出的電子與等離子體波動(dòng)，以及電場(chǎng)觀測(cè)儀檢測(cè)出的等離子體波動(dòng)，分析儀可以直接計(jì)算出它們之間的相對(duì)相位關(guān)系—這是世界上首臺(tái)具備觀測(cè)波動(dòng)粒子相互作用功能的分析儀。利用該分析儀進(jìn)行測(cè)量，可以定量地識(shí)別出產(chǎn)生等離子體波動(dòng)的電子，以及等離子體波動(dòng)后產(chǎn)生能量的電子，進(jìn)而了解太空中因波動(dòng)粒子的相互作用導(dǎo)致的能量變換。

毛凌野/本文編輯