徐超群 易忠 王斌 孟立飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）

1 引言

地球與星際空間的磁環(huán)境是影響航天器運(yùn)行的重要環(huán)境之一，其影響程度與航天器自身的磁性大小有關(guān)。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(chǎng)。外界磁場(chǎng)的變化會(huì)引起航天器自身磁特性參數(shù)的改變，例如科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，特別是進(jìn)行磁場(chǎng)研究的衛(wèi)星，要對(duì)衛(wèi)星自身磁場(chǎng)加以限制，尤其是磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)器安裝部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的限制，才能保證探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。對(duì)利用磁力矩器進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道定位的航天器，需要充分了解在軌磁性狀態(tài)以確保控制的有效性和測(cè)量的精度。當(dāng)有效載荷攜帶磁強(qiáng)計(jì)或其他對(duì)磁場(chǎng)敏感設(shè)備時(shí)，這些磁敏感設(shè)備所在位置的磁場(chǎng)必須是已知的，才能夠正確評(píng)估這些設(shè)備工作期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)。另外航天器長(zhǎng)期的在軌運(yùn)行，由于地磁場(chǎng)與其自身磁矩相互作用的累積，會(huì)改變航天器的軌道和姿態(tài)。

世界上研制航天器的國(guó)家從20世紀(jì)60年代就認(rèn)識(shí)到航天器磁性研究的重要性，已逐步形成了磁性設(shè)計(jì)和磁試驗(yàn)規(guī)范。隨著科技的發(fā)展和國(guó)防需要，航天器的發(fā)射數(shù)量也在不斷增加，航天器的磁設(shè)計(jì)、計(jì)算和試驗(yàn)也越來(lái)越受到重視。

2 航天器磁試驗(yàn)設(shè)備

模擬航天器軌道運(yùn)行中承受的磁環(huán)境及其效應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備被稱為磁試驗(yàn)設(shè)備，一般有磁屏蔽及線圈系統(tǒng)兩種方法，目前后者采用較多。磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)室有可控制的磁試驗(yàn)設(shè)備，可檢測(cè)和分析航天器的磁特性。對(duì)于測(cè)量空間磁場(chǎng)分布的航天器，需要知道其自身的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；采用磁姿態(tài)控制的航天器還要在模擬運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的環(huán)境下進(jìn)行姿態(tài)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)。通過(guò)這些磁環(huán)境試驗(yàn)，可獲得準(zhǔn)確的磁特性數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證和改進(jìn)航天器的磁凈化設(shè)計(jì)。

美國(guó)磁試驗(yàn)設(shè)備

美國(guó)用于衛(wèi)星磁試驗(yàn)的設(shè)備較多，其中美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）戈達(dá)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(tái)及海軍系統(tǒng)等均建有磁試驗(yàn)設(shè)備。

美國(guó)磁試驗(yàn)設(shè)備

德國(guó)IABG磁試驗(yàn)室

戈達(dá)德空間飛行中心的磁試驗(yàn)設(shè)備有兩種名稱：姿態(tài)控制試驗(yàn)設(shè)備（ACTF）或衛(wèi)星磁試驗(yàn)設(shè)備（SMTF），它是多用途的大型磁試驗(yàn)設(shè)備，是目前世界上最先進(jìn)的磁設(shè)備之一，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)，也可用作磁性測(cè)量。設(shè)備主要包括主線圈系統(tǒng)、充磁和退磁線圈系統(tǒng)、外干擾磁場(chǎng)控制系統(tǒng)和磁場(chǎng)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

歐洲磁試驗(yàn)設(shè)備

（1）德國(guó)工業(yè)設(shè)備管理公司（IABG）

德國(guó)工業(yè)設(shè)備管理公司磁試驗(yàn)室的基本尺寸為20m×20m×20m，大門尺寸5m×5m。主要設(shè)備是產(chǎn)生模擬空間磁場(chǎng)環(huán)境的主線圈系統(tǒng)，由3個(gè)正交軸上的12個(gè)方形線圈組成，為三軸威德里西線圈，最大線圈邊長(zhǎng)15m，通道尺寸4m×4m。此種線圈形式結(jié)構(gòu)尺寸與磁場(chǎng)均勻區(qū)相比不是最大，但線圈入口通道面積大，電流比簡(jiǎn)單，方形線圈結(jié)構(gòu)便于設(shè)計(jì)和安裝。該公司磁試驗(yàn)設(shè)備的地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)探頭放在距磁試驗(yàn)設(shè)備40m，深2.5m的地坑中。磁強(qiáng)計(jì)監(jiān)測(cè)的地磁場(chǎng)變化值不控制線圈系統(tǒng)磁場(chǎng)，而是用來(lái)修正磁試驗(yàn)的磁場(chǎng)測(cè)量值。該設(shè)備的充退磁線圈為方形亥姆霍茲線圈形式，邊長(zhǎng)3.7m，兩個(gè)線圈分別裝在支撐小車上，間距可調(diào)節(jié)。

（2）歐洲空間技術(shù)研究中心（ESTEC）

歐洲空間技術(shù)研究中心隸屬歐洲航天局（ESA），它有兩臺(tái)磁試驗(yàn)設(shè)備，線圈尺寸分別為1.06m和6m，它們均用于衛(wèi)星部件的磁性能測(cè)試。對(duì)于6m線圈的磁試驗(yàn)設(shè)備，它由主線圈系統(tǒng)、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(nèi)）；輸入電流最大為20A；穩(wěn)定性為±2×10－5；直流充磁磁場(chǎng)2.5mT；交流退磁磁場(chǎng)5mT；充、退磁線圈輸入電流200A；退磁頻率范圍為0.1～5Hz。

（3）法國(guó)宇航環(huán)境工程試驗(yàn)中心（Intespace）

該設(shè)備可用來(lái)測(cè)量衛(wèi)星部件的磁矩、磁場(chǎng)，試件的充磁與退磁及磁強(qiáng)計(jì)的校準(zhǔn)。由主線圈、充退磁線圈、磁化臺(tái)、空氣軸承及福斯特磁強(qiáng)計(jì)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(nèi)）；直流穩(wěn)定場(chǎng)±60000nT；直流充磁最大幅值8000A/m；交流磁場(chǎng)頻率范圍0～0.3Hz；最大幅值50000nT。

日本磁試驗(yàn)設(shè)備

目前，日本較知名的大型磁試驗(yàn)設(shè)備位于宇宙開發(fā)事業(yè)集團(tuán)（NASDA）。該集團(tuán)筑波宇宙中心的大型磁試驗(yàn)設(shè)備主要用于衛(wèi)星和其他系統(tǒng)、部件的磁性測(cè)試，以及對(duì)磁性敏感元件（如磁強(qiáng)計(jì)等）進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。磁試驗(yàn)設(shè)備主要由主線圈、等效線圈和控制、測(cè)試系統(tǒng)三大部分組成，分別置于主線圈室、等效線圈室和控制室內(nèi)。主線圈形式為圓形，三軸布朗貝克線圈，最大線圈邊長(zhǎng)為15m。該設(shè)備采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。使用一個(gè)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(lián)，等效線圈距主線圈40m，等效線圈內(nèi)放一臺(tái)三軸磁強(qiáng)計(jì)探頭，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)外干擾控制電源，調(diào)節(jié)主線圈磁場(chǎng)。

國(guó)內(nèi)磁試驗(yàn)設(shè)備

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的CM2磁試驗(yàn)室，擁有國(guó)內(nèi)最大、功能最全的整星磁試驗(yàn)設(shè)備。從1994年開始設(shè)計(jì)、制造，1999年完工。設(shè)備的主線圈為威德里西四線圈系統(tǒng)，最大邊長(zhǎng)16m。設(shè)備為半地下構(gòu)造，地下6.5m，地上12.4m。

CM2整星磁試驗(yàn)設(shè)備

CM2整星磁試驗(yàn)設(shè)備主要用于衛(wèi)星的各種磁測(cè)量、姿態(tài)控制試驗(yàn)和充、退磁試驗(yàn)。設(shè)備主要由主線圈系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、充退磁系統(tǒng)和無(wú)磁操作系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)能產(chǎn)生空間零磁場(chǎng)，小于60000nT任意方向的恒定磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，最大為5mT的充、退磁場(chǎng)。

3 磁試驗(yàn)方法

航天器磁試驗(yàn)中測(cè)量的主要參數(shù)是衛(wèi)星的磁場(chǎng)和磁矩。對(duì)攜帶磁敏感部件的衛(wèi)星進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，對(duì)姿態(tài)控制有要求的衛(wèi)星進(jìn)行磁矩測(cè)量。當(dāng)衛(wèi)星的磁場(chǎng)和磁矩不能滿足磁性設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行充、退磁和磁補(bǔ)償試驗(yàn)，以達(dá)到衛(wèi)星磁性設(shè)計(jì)的要求。

磁場(chǎng)測(cè)量

磁場(chǎng)測(cè)試采用直接測(cè)量，根據(jù)被測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)梯度張量，選擇合適量程的測(cè)量?jī)x器，特別是量子磁力儀的發(fā)展，會(huì)使磁場(chǎng)測(cè)量更加準(zhǔn)確。目前比較成熟的磁場(chǎng)測(cè)量方法有：磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、電磁效應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等。

磁矩測(cè)量

衛(wèi)星的磁矩可以用直接法和間接法兩種方法進(jìn)行測(cè)量。直接法使用力矩計(jì)測(cè)量磁矩和磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的力矩來(lái)計(jì)算磁矩，包括：力矩法、脈沖共振法；間接法通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星的磁場(chǎng)分布，然后再通過(guò)數(shù)學(xué)分析計(jì)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(chǎng)探測(cè)器法、磁矩動(dòng)態(tài)測(cè)試法。

充退磁試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星的充磁和退磁試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)衛(wèi)星磁穩(wěn)定性及抗磁污染的能力。美國(guó)國(guó)家航空航天局等在20世紀(jì)70年代前后研制了衛(wèi)星充退磁設(shè)備；20世紀(jì)90年代，中國(guó)空間技術(shù)研究院研制了方形亥姆霍茲線圈式的CM2充退磁設(shè)備；2002年，上海航天技術(shù)研究院建成螺旋管式充退磁設(shè)備。

一般采用的是直流充磁，在充磁試驗(yàn)中地磁場(chǎng)對(duì)充磁效果的影響很小，影響不同材料充磁效果的主要參數(shù)是起始磁化率。起始磁化率在充磁過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，其大小直接決定了充磁結(jié)束以后部件的磁極化強(qiáng)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(zhuǎn)退磁。這三種方法都能減少剩磁的90%左右，差別不超過(guò)5%。

磁補(bǔ)償

衛(wèi)星的磁矩或磁場(chǎng)超過(guò)技術(shù)指標(biāo)要求，可以通過(guò)磁補(bǔ)償來(lái)糾正。把經(jīng)過(guò)標(biāo)定的、已知其磁矩量值和方向的永磁體固定到衛(wèi)星上，補(bǔ)償磁體磁矩或磁場(chǎng)的方向與衛(wèi)星磁矩或磁場(chǎng)方向相反，在一定距離范圍磁體的磁場(chǎng)與衛(wèi)星的磁場(chǎng)相互抵消，可以降低衛(wèi)星的磁場(chǎng)，也可以通過(guò)降低衛(wèi)星磁場(chǎng)減少衛(wèi)星的磁矩。補(bǔ)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(shù)應(yīng)用

航天器磁試驗(yàn)技術(shù)早在20世紀(jì)60年代就得到應(yīng)用，隨著仿真和虛擬技術(shù)的發(fā)展，到20世紀(jì)90年代，磁性仿真和虛擬技術(shù)的應(yīng)用才相對(duì)增多，研究的深度和廣度在不斷增加。國(guó)外有很多航天器的模擬軟件，下面例舉幾個(gè)目前常用的磁場(chǎng)仿真技術(shù)應(yīng)用。

日本

日本宇宙開發(fā)事業(yè)集團(tuán)的航天器磁試驗(yàn)設(shè)備（SMTS）對(duì)磁場(chǎng)均勻性要求非常高，通過(guò)磁試驗(yàn)設(shè)備磁場(chǎng)擾動(dòng)仿真計(jì)算，研究了外部建筑物和半球形凹坑對(duì)航天器磁試驗(yàn)設(shè)備的影響。另外，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）和東京大學(xué)（University of Tokyo）聯(lián)合對(duì)航天器太陽(yáng)風(fēng)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化仿真，依據(jù)磁通守恒定律建立的磁性仿真模型，計(jì)算得到推進(jìn)系統(tǒng)重要的物理參數(shù)。

美國(guó)

美國(guó)阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（A T KComposites）和阿爾特拉公司（Altera）的Quartus軟件開發(fā)部門聯(lián)合對(duì)航天器太陽(yáng)電池陣的磁潔凈進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算，取得良好效果，將磁場(chǎng)強(qiáng)度降至極低的水平。

歐洲

歐洲航天局和一些大學(xué)合作開發(fā)了針對(duì)磁試驗(yàn)的分析軟件MAGNET，該軟件包含多種靜態(tài)場(chǎng)磁性建模方法：球諧分析法（SHA）、單偶極子移動(dòng)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(jí)、整星級(jí)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，建立各種磁性仿真模型，進(jìn)行磁凈化、充退磁、磁補(bǔ)償、整星磁場(chǎng)磁矩虛擬計(jì)算，同時(shí)也能指導(dǎo)磁設(shè)計(jì)，初步達(dá)到試驗(yàn)虛擬化程度。

國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)70年代末開始航天器磁試驗(yàn)技術(shù)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(yàn)仿真和虛擬技術(shù)研究從20世紀(jì)90年代末開始，目前已完成多偶極子法磁場(chǎng)仿真軟件開發(fā)，完成虛擬磁試驗(yàn)技術(shù)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并已有一些項(xiàng)目應(yīng)用。如對(duì)磁力矩器產(chǎn)生的磁場(chǎng)和磁矩進(jìn)行仿真，并對(duì)周圍帶電粒子分布的影響進(jìn)行分析。對(duì)二代導(dǎo)航衛(wèi)星內(nèi)部磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，控制磁敏部件位置處的磁場(chǎng)。對(duì)地震減災(zāi)星進(jìn)行整星磁性建模，計(jì)算磁力儀位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)硬X射線望遠(yuǎn)鏡整星磁性建模，計(jì)算其主探測(cè)器位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及永久磁矩和感應(yīng)磁矩，為衛(wèi)星姿態(tài)控制和磁屏蔽設(shè)計(jì)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(yàn)平臺(tái)軟件示意圖

5 發(fā)展設(shè)想和建議

目前，國(guó)內(nèi)航天器磁試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)方面與國(guó)外相比還有不足之處，主要表現(xiàn)在：缺乏大型整星磁試驗(yàn)設(shè)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(yàn)仿真軟件可視化和二次開發(fā)功能較弱。

隨著航天器各項(xiàng)指標(biāo)的提高和磁試驗(yàn)項(xiàng)目逐步增多，預(yù)示著航天器的磁性要求變得更高。小型磁試驗(yàn)設(shè)備和簡(jiǎn)單的地面磁試驗(yàn)已經(jīng)不能滿足航天器新的要求，我國(guó)應(yīng)不斷更新自身的裝備和技術(shù)：

1）加大對(duì)航天器整星磁試驗(yàn)設(shè)備投入，加快多種磁試驗(yàn)設(shè)備研制，發(fā)展高精度的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法；

2）開展各種磁試驗(yàn)方法研究，特別是衛(wèi)星姿態(tài)模擬方法和磁凈化方法；

3）同時(shí)研制航天器在軌磁異常監(jiān)控和修復(fù)系統(tǒng)，發(fā)展磁場(chǎng)照相技術(shù)；

4）根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，加強(qiáng)理論研究和多參量可視化建模體系，開發(fā)高端智能模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能化和數(shù)字化。