Магнитометр космического корабля

Гелиевый векторный магнитометр «Пионер-10» и «Пионер -11» . космических кораблей

Стрела магнитометра космического корабля "Вояджер" позволяет магнитометру проводить наблюдения с меньшими помехами со стороны самого космического корабля.

Магнитометры космических кораблей — это магнитометры, используемые на борту космических кораблей и спутников , в основном для научных исследований, а также для измерения ориентации . Магнитометры являются одними из наиболее широко используемых научных инструментов на исследовательских и наблюдательных спутниках. Эти инструменты сыграли важную роль в составлении карт поясов Ван Аллена вокруг Земли после их открытия « Эксплорером-1» , а также подробно описали магнитные поля Земли , , Луны , Солнца радиационных Марса , Венеры и других планет и спутников. Продолжаются миссии с использованием магнитометров, включая попытки определить форму и активность ядра Сатурна .

Первый бортовой магнитометр был установлен на космическом корабле «Спутник-3» в 1958 году, а наиболее детальные магнитные наблюдения Земли были выполнены с помощью спутника «Магсат». и Эрстед спутники . Магнитометры были доставлены на Луну во время более поздних миссий Аполлона . Многие инструменты использовались для измерения силы и направления линий магнитного поля вокруг Земли и Солнечной системы .

Магнитометры космических аппаратов в основном делятся на три категории: феррозондовые, поисковые катушки и магнитометры ионизированного газа. Наиболее точные комплексы магнитометров на космических кораблях содержат два отдельных прибора: магнитометр на ионизированном гелием газе используется для калибровки феррозондового прибора для более точных показаний. Многие более поздние магнитометры содержат небольшие кольцевые катушки, ориентированные под углом 90 ° в двух измерениях относительно друг друга, образующие трехосный каркас для указания направления магнитного поля.

Типы магнитометров

Магнитометры для некосмического использования развивались с 19 по середину 20 веков и впервые были использованы в космических полетах на «Спутнике-3» в 1958 году. Основным ограничением для магнитометров в космосе является наличие мощности и массы. Магнитометры делятся на 3 основные категории: феррозондовый тип, поисковая катушка и магнитометры с ионизированным паром. Новейшим типом является тип Оверхаузера, основанный на технологии ядерного магнитного резонанса .

Феррозондовые магнитометры

Магнитометры установлены на обоих концах солнечных панелей, чтобы изолировать их от магнитных полей космического корабля.

Феррозондовые магнитометры используются из-за их электронной простоты и небольшого веса. В космических кораблях использовалось несколько типов феррозондов, которые различаются по двум причинам. В первую очередь лучшие показания получаются с тремя магнитометрами, каждый из которых направлен в разное направление. Некоторые космические аппараты вместо этого добились этого, вращая аппарат и снимая показания с интервалом 120°, но это создает другие проблемы. Другое отличие заключается в простой и цикличной конфигурации.

Магнитометры этого типа были оснащены миссиями « Пионер 0 »/Able 1, « Пионер 1 »/Able 2, Ye1.1, Ye1.2 и Ye1.3, которые потерпели неудачу в 1958 году из-за проблем с запуском. Однако «Пионер-1» собрал данные о ремнях Ван Аллена. В 1959 году советская « Луна-1 »/Е1.4 имела трехкомпонентный магнитометр, который пролетел мимо Луны по пути на гелиоцентрическую орбиту на расстоянии 6400 миль (10300 км), но точно оценить магнитное поле не удалось. В конце концов СССР удалось осуществить столкновение с Луной с помощью « Луна-2 », не обнаружившего значительного магнитного поля на близком расстоянии от поверхности. трехкомпонентного магнитометра Эксплорер-10 совершил сокращенную 52-часовую миссию с двумя феррозондовыми магнитометрами на борту. В 1958 и 1959 годах миссии с магнитометрами обычно страдали от неудач: только на Able IVB было потеряно два прибора . В начале 1966 года СССР наконец вывел «Луну-10» на орбиту Луны с магнитометром и смог подтвердить слабую природу магнитного поля Луны. «Венера-4» , «5 » и «6» также имели магнитометры во время своих полетов к Венере , хотя они не были размещены на десантном корабле.

Зонд Lunar Prospector , магнитометр установлен на конце стрелы, обращенном к зрителю.

Векторные датчики

Большинство первых феррозондовых магнитометров на космических кораблях были выполнены в виде векторных датчиков. Однако электроника магнитометра создавала гармоники , которые мешали показаниям. Правильно спроектированные датчики имели электронику обратной связи с детектором, которая эффективно нейтрализовала гармоники. «Маринер-1» и «Маринер-2» имели феррозондовые векторные датчики. Только «Маринер-2» пережил запуск и, проходя мимо Венеры 14 декабря 1962 года, не смог обнаружить магнитное поле вокруг планеты. Частично это произошло из-за удаленности космического корабля от планеты, шума внутри магнитометра и очень слабого магнитного поля Венеры. «Пионер-6», запущенный в 1965 году, является одним из четырех спутников «Пионер», вращающихся вокруг Солнца и передающих на Землю информацию о солнечном ветре. Этот космический корабль был оснащен одним векторным феррозондовым магнитометром.

Кольцевой сердечник и сферический

Феррозондовые магнитометры с кольцевым сердечником начали заменять магнитометры с векторными датчиками в ходе миссии «Аполлон-16» в 1972 году, когда на Луне был размещен трехосный магнитометр. Эти датчики использовались на ряде спутников, включая Magsat , Voyager , Ulysses , Giotto , AMPTE . Lunar Prospector -1 использует кольцевую катушку, сделанную из этих сплавов, вытянутую друг от друга и от космического корабля, для поиска остаточного магнетизма на «немагнитной» поверхности Луны.

Схема подключения и изображение магнитометра, используемого на Mars Global Surveyor

При правильной настройке магнитометры способны измерять разность магнитных полей величиной 1 нТл. Эти устройства с размерами сердечников около 1 см имели меньший вес, чем векторные датчики. Однако было обнаружено, что эти устройства имеют нелинейный выходной сигнал с магнитными полями более 5000 нТл. Позже было обнаружено, что создание сферической структуры с проводами контуров обратной связи, поперечными кольцу, в сфере может свести на нет этот эффект. Эти более поздние магнитометры назывались сферическими феррозондовыми магнитометрами или магнитометрами с компактным сферическим сердечником (CSC), используемыми на спутнике Эрстед . Металлические сплавы, составляющие основу этих магнитометров, также были усовершенствованы со времени миссии Аполлон-16: в последнее время используются усовершенствованные сплавы молибдена и пермаллоя , обеспечивающие более низкий уровень шума и более стабильный выходной сигнал.

Фотография магнитометров поисковой катушки, использованных в миссиях THEMIS и Cluster/Staff.

Магнитометр с поисковой катушкой

Основная статья: Магнитометр поисковой катушки

Магнитометры с поисковой катушкой, также называемые индукционными магнитометрами, представляют собой катушки, намотанные на сердечник с высокой магнитной проницаемостью. Поисковые катушки концентрируют линии магнитного поля внутри сердечника вместе с флуктуациями. Преимущество этих магнитометров заключается в том, что они измеряют переменное магнитное поле и поэтому могут быстро определять изменения магнитных полей, много раз в секунду. Согласно закону Ленца , напряжение пропорционально производной магнитного потока по времени. Напряжение будет усиливаться за счет кажущейся проницаемости сердечника. Эта кажущаяся проницаемость (мкА) определяется как:

$\ {\mu }_{a}={\frac {\mu }{1+N\mu }}$.

Миссии «Пионер-5» наконец удалось вывести работающий магнитометр этого типа на орбиту вокруг Солнца, показав, что между орбитами Земли и Венеры существуют магнитные поля. Одиночный магнитометр был ориентирован вдоль плоскости, перпендикулярной оси вращения космического корабля. Магнитометры с поисковыми катушками становятся все более распространенными на спутниках наблюдения Земли. Обычно используемый прибор - магнитометр с трехосной поисковой катушкой. Орбитальная геофизическая обсерватория (миссии ОГО - от ОГО-1 до ОГО-6 ) Миссия Vela (спутник) использовала этот тип как часть пакета для определения того, проводилась ли оценка ядерного оружия за пределами атмосферы Земли. В сентябре 1979 года спутник Vela собрал доказательства потенциального ядерного взрыва над юго-западной частью Индийского океана. В 1997 году США создали систему FAST , предназначенную для исследования явлений полярных сияний над полюсами. В настоящее время он исследует магнитные поля на расстоянии от 10 до 30 радиусов Земли с помощью спутников THEMIS. THEMIS, что означает « История событий и макромасштабных взаимодействий во время суббурь», представляет собой группу из пяти спутников, которые надеются собрать более точную историю того, как возникают и исчезают магнитные бури.

Магнитометры ионизированного газа

Тяжелый металл — скаляр

Некоторые космические аппараты, такие как Магсат , оснащены скалярным магнитометром . Выходная мощность этих устройств, часто внешняя частота, пропорциональна магнитному полю. Magsat и Grm-A1 имели сенсорные головки паров цезия (цезия-133) двухэлементной конструкции, такая конструкция оставляла две небольшие мертвые зоны. Эксплорер 10 (P14) был оснащен магнитометром паров рубидия, предположительно скалярным магнитометром, поскольку космический корабль также имел феррозонд. Магнитометр был случайно загрязнен, что привело к его перегреву. Какое-то время он работал, но через 52 часа после начала миссии передача прервалась и не была восстановлена. «Рейнджер-1» и «Рейнджер-2» имели магнитометр паров рубидия и не смогли достичь лунной орбиты.

Гелий

Магнитометр этого типа зависит от изменения поглощательной способности гелия при возбуждении поляризованного инфракрасного света приложенным магнитным полем. был установлен векторный гелиевый магнитометр с низким полем , магнитное поле обнаружено не было. На космическом корабле «Маринер-4» , направлявшемся на Марс, как и на зонде «Венера» годом ранее, «Маринер-5» использовал аналогичное устройство. В этом эксперименте использовался гелиевый магнитометр низкого поля для трехосных измерений межпланетного и венерианского магнитных полей. Подобное по точности трехосным феррозондовым магнитометрам, это устройство давало более надежные данные.

Другие типы

Магнитометр Оверхаузера обеспечивает чрезвычайно точные измерения напряженности магнитного поля . Спутник «Эрстед» использует магнитометр этого типа для составления карты магнитных полей на поверхности Земли.

Во время миссии «Авангард-3» (1959 г.) протонный процессионный магнитометр для измерения геомагнитных полей использовался . Источником протонов служил гексан.

Конфигурации магнитометров

В отличие от наземных магнитометров, которые пользователь может ориентировать для определения направления магнитного поля, в космосе пользователь связан телекоммуникациями со спутником, движущимся со скоростью 25 000 км в час. Используемые магнитометры должны быстро давать точные показания, чтобы иметь возможность определить магнитные поля. Можно использовать несколько стратегий: легче вращать космический корабль вокруг своей оси, чем нести вес дополнительного магнитометра. Другая стратегия — увеличить размер ракеты или сделать магнитометр легче и эффективнее. Одна из проблем, например, при изучении планет с низкими магнитными полями, таких как Венера, действительно требует более чувствительного оборудования. Оборудование обязательно должно было развиваться для решения сегодняшних современных задач. По иронии судьбы, спутники, запущенные более 20 лет назад, все еще имеют работающие магнитометры в местах, куда сегодня потребовались бы десятилетия, чтобы достичь их, в то же время новейшее оборудование используется для анализа изменений на Земле здесь, дома.

Одноосный

Эти простые феррозондовые магнитометры использовались во многих миссиях. На кораблях «Пионер-6» и «Инджун-1» магнитометры были установлены на кронштейне снаружи космического корабля, и показания снимались при повороте космического корабля на каждые 120 °. Пионер 7 и Пионер 8 настраиваются аналогично. Феррозонд на «Эксплорере 6» был установлен вдоль оси вращения для проверки отслеживания линий магнитного поля космического корабля. Магнитометры с поисковыми катушками использовались на кораблях «Пионер-1» , «Эксплорер-6», «Пионер-5» и «Дип Спейс-1» .

Диаксиальный

был установлен двухосный магнитометр . На спутнике ATS-1 (спутник прикладных технологий) Один датчик находился на 15-сантиметровой стреле, а другой - на оси вращения космического корабля (спутник со стабилизацией вращения). Солнце использовалось для определения положения устройства, установленного на стреле, и можно было рассчитать измерения трехосного вектора. По сравнению с другими магнитометрами, установленными на стреле, эта конфигурация имела значительные помехи. В этом космическом корабле Солнце вызывало магнитные колебания, что позволило продолжить использование магнитометра после выхода из строя датчика Солнца . Эксплорер 10 имел два феррозондовых магнитометра, но технически классифицируется как двойной метод, поскольку у него также был магнитометр на парах рубидия.

Трехосный

На «Спутнике -3» был векторный феррозондовый магнитометр, однако из-за невозможности определить ориентацию космического корабля невозможно было определить вектор направления магнитного поля. Трехосные магнитометры использовались на кораблях «Луна-1» , «Луна-2» , «Пионер Венера» , «Маринер-2» , «Венера-1» , «Эксплорер 12» , «Эксплорер 14» и «Эксплорер 15» . Эксплорер 33 должен был «быть» первым космическим кораблем США, вышедшим на стабильную орбиту вокруг Луны, и был оснащен самым совершенным магнитометром - установленным на стреле трехосным феррозондовым магнитометром (GFSC) типа раннего вектора. Он имел небольшой диапазон, но был точен до разрешения 0,25 нТл. Однако после отказа ракеты он остался на высокоэллиптической орбите вокруг Земли, которая вращалась через электромагнитный хвост.

Изображение лунного магнитометра в составе пакета ALSEP

« Пионер-9» и «Эксплорер 34» использовали конфигурацию, аналогичную «Эксплореру 33», для исследования магнитного поля на солнечной орбите Земли. Эксплорер 35 был первым в своем типе, вышедшим на стабильную орбиту вокруг Луны. Это оказалось важным, поскольку с помощью чувствительного трехосного магнитометра на борту было обнаружено, что Луна фактически не имеет ни магнитного поля, ни радиационного пояса, а солнечные ветры напрямую воздействуют на Луну. . Lunar Prospector исследовал поверхностный магнетизм вокруг Луны (1998–99) с использованием трехосных (удлиненных) магнитометров. Вместе с Аполлоном-12 на Луну были размещены улучшенные магнитометры как часть Лунного модуля / Пакета экспериментов на лунной поверхности Аполлона.

(АЛСЕП). Магнитометр продолжал работать еще несколько месяцев после отлета возвратного модуля. В составе ALSEP «Аполлона-14» был портативный магнитометр.

Первое использование трехосного магнитометра с кольцевой катушкой было во время миссии «Аполлон-16» на Луну. Впоследствии он использовался на спутнике «Магсат» . Миссия MESSENGER оснащена трехосным магнитометром с кольцевой катушкой с диапазоном +/- 1000 мТл и чувствительностью 0,02 мТл, миссия все еще находится в стадии разработки и предназначена для получения подробной информации о магнитосфере Меркурия. Впервые сферический магнитометр в трехосной конфигурации был использован на спутнике Эрстед .

Смоделированные магнитные поля Земли, данные, созданные спутниками с чувствительными магнитометрами.

Двойная техника

У каждого типа магнитометра есть своя «слабость». Это может быть следствием конструкции магнитометра, способа взаимодействия магнитометра с космическим кораблем, излучения Солнца, резонансов и т. д. Использование совершенно другой конструкции — это способ измерения, показания которого являются результатом естественных магнитных полей и суммы магнитные поля, изменяемые системами космического корабля. Кроме того, каждый тип имеет свои сильные стороны. Феррозондовый тип относительно хорош в предоставлении данных для обнаружения источников магнитного поля. Одной из первых систем двойной техники была сокращенная миссия Explorer 10 , в которой использовались пары рубидия и двухосные феррозондовые магнитометры. Векторный гелий лучше подходит для отслеживания линий магнитного поля и в качестве скалярного магнитометра. Кассини Космический корабль использовал магнитометр двойной техники . Одним из таких устройств является векторный феррозондовый магнитометр с кольцевой катушкой (RCFGM). Другое устройство представляет собой векторный/скалярный гелиевый магнитометр. RCFGM установлен на высоте 5,5 м на стреле длиной 11 м с гелиевым устройством на конце.

Эксплорер 6 (1959 г.) использовал магнитометр с поисковой катушкой для измерения общего магнитного поля Земли и векторного феррозонда. однако из-за наведенного магнетизма в космическом корабле феррозондовый датчик насыщался и не отправлял данные. Будущие миссии попытаются разместить магнитометры дальше от космического корабля.

Геологический спутник Magsat Earth также был Dual Technique. Этот спутник и Grm-A1 имели скалярный магнитометр на парах цезия и векторные феррозондовые магнитометры. Спутниковый носитель Грм-А1 магнитометр на 4-х метровой стреле. Этот конкретный космический корабль был спроектирован так, чтобы удерживаться на точной эквигравитационной орбите во время проведения измерений. Для целей, аналогичных Magsat, спутник Ørsted также использовал систему двойной техники. Магнитометр Оверхаузера расположен на конце 8-метровой стрелы, чтобы минимизировать помехи от электрических систем спутника. Феррозондовый магнитометр CSC расположен внутри корпуса и связан с устройством слежения за звездами. Одним из величайших достижений двух миссий, миссий Магсат и Эрстед, является захват периода сильного изменения магнитного поля с потенциальной потерей диполя или сменой полюсов.

Путем монтажа

Простейшие реализации магнитометров устанавливаются непосредственно на автомобили. Однако это помещает датчик рядом с потенциальными помехами, такими как потоки транспортных средств и черные материалы. Для относительно нечувствительных работ, таких как «компасы» (измерение ориентации) на низкой околоземной орбите , этого может быть достаточно.

Наиболее чувствительные магнитометрические приборы установлены на длинных стрелах, развернутых вдали от корабля (например, «Вояджеры» , «Кассини» ). Многие поля примесей затем сильно уменьшаются с расстоянием , в то время как фоновые поля остаются неизменными. Можно установить два магнитометра, один только частично на стреле. Поля кузова транспортного средства тогда будут выглядеть по-разному на двух расстояниях, в то время как фоновые поля могут существенно меняться, а могут и не изменяться в таких масштабах. Штанги магнитометров для векторных инструментов должны быть жесткими, чтобы предотвратить появление в данных дополнительных изгибающих движений.

Некоторые транспортные средства устанавливают магнитометры на более простые существующие придатки, такие как специально разработанные солнечные батареи (например, Mars Global Surveyor , Juno , MAVEN ). Это экономит стоимость и массу отдельной стрелы. Тем не менее, элементы солнечной батареи должны быть тщательно установлены и протестированы, чтобы не стать загрязняющим полем .

Примеры

• ПОЛЯ на солнечном зонде Parker, запущенном в 2018 г.
• Магнитометр на орбитальном аппарате Юнона -Юпитер, запущенный в 2011 году, прибыл к Юпитеру в 2018 году.
• Внутренняя характеристика Европы с использованием магнитометрии

См. также

• Магниторкер
• Магнитометр ( Юнона )