Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гелиевый векторный магнитометр космических аппаратов Пионер 10 и 11
Стрела магнитометра космического корабля Вояджер, стрела позволяет магнитометру проводить наблюдения с меньшими помехами от самого космического корабля.

Магнитометры космических аппаратов - это магнитометры, используемые на борту космических аппаратов и спутников , в основном для научных исследований, а также для определения положения . Магнитометры являются одними из наиболее широко используемых научных инструментов в исследовательских и наблюдательных спутниках. Эти инструменты сыграли важную роль в картировании радиационных поясов Ван Аллена вокруг Земли после его открытия проводника 1 , и детализировал магнитных полей на Земле , Луне , Солнце , Марс , Венераи другие планеты и луны. В настоящее время проводятся миссии с использованием магнитометров [ необходим пример ], включая попытки определить форму и активность ядра Сатурна .

Первый магнитометр на борту космического корабля был установлен на космическом корабле Спутник-3 в 1958 году, а наиболее подробные магнитные наблюдения Земли были выполнены с помощью спутников Magsat [1] и Ørsted . Магнитометры были доставлены на Луну во время более поздних миссий Аполлона . Многие инструменты использовались для измерения силы и направления силовых линий магнитного поля вокруг Земли и Солнечной системы .

Магнитометры для космических аппаратов в основном делятся на три категории: магнитометры с индукционной катушкой, поисковые катушки и ионизированные газовые магнитометры. Наиболее точные комплексы магнитометров на космических кораблях содержат два отдельных прибора, причем магнитометр с гелиевым ионизированным газом используется для калибровки феррозондового прибора для получения более точных показаний. Многие более поздние магнитометры содержат небольшие кольцевые катушки, ориентированные под углом 90 ° в двух измерениях относительно друг друга, образующие трехосную основу для указания направления магнитного поля.

Типы магнитометров [ править ]

Магнитометры, не используемые в космосе, развивались с 19 по середину 20 веков и были впервые применены в космических полетах спутником 3 в 1958 году. Основным ограничением магнитометров в космосе является доступность мощности и массы. Магнитометры делятся на 3 основные категории: индукционные, поисковые катушки и магнитометры с ионизированным паром. Самый новый тип - это тип Оверхаузера, основанный на технологии ядерного магнитного резонанса .

Магнитометры Fluxgate [ править ]

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

Феррозондовые магнитометры используются из-за их электронной простоты и небольшого веса. В космических кораблях используется несколько типов магнитных заслонок, которые различаются по двум параметрам. В первую очередь лучшие показания получаются с помощью трех магнитометров, каждый из которых указывает в разном направлении. Некоторые космические аппараты вместо этого достигли этого, вращая аппарат и снимая показания с интервалами 120 °, но это создает другие проблемы. Другое отличие заключается в простой и круглой конфигурации.

Магнитометры этого типа были установлены на миссиях « Пионер 0 » / Авле 1, « Пионер 1 » / Авле 2, Е1.1, Е1.2, Е1.3, которые потерпели неудачу в 1958 г. из-за проблем с запуском. Однако Pioneer 1 собирал данные о ремнях Ван Аллена. [2] В 1959 году советская « Луна-1 » / Ye1.4 несла трехкомпонентный магнитометр, который прошел через Луну на гелиоцентрическую орбиту на расстояние 6400 миль (10300 км), но магнитное поле не могло быть точно определено. оценен. [2] В конце концов СССР справился с лунным столкновением с помощью трехкомпонентного магнитометра « Луна-2 », не обнаружив значительного магнитного поля при близком приближении к поверхности. [2]У Explorer 10 была сокращенная 52-часовая экспедиция с двумя феррозондовыми магнитометрами на борту. В течение 1958 и 1959 гг. Неудачи характеризовали миссии с магнитометрами: только на Able IVB было потеряно 2 прибора . В начале 1966 года СССР, наконец, вывел « Луну-10» на орбиту вокруг Луны с магнитометром и смог подтвердить слабую природу магнитного поля Луны. [2] Венера 4 , 5 и 6 также несли магнитометры во время своих путешествий к Венере , хотя они не были размещены на десантном корабле.

Зонд Lunar Prospector , магнитометр установлен на конце стрелы, обращенной к наблюдателю.

Векторные датчики [ править ]

Большинство ранних феррозондовых магнитометров на космических кораблях были сделаны как векторные датчики. Однако электроника магнитометра создавала гармоники, которые мешали считыванию. Правильно спроектированные датчики имеют электронику обратной связи с детектором, которая эффективно нейтрализует гармоники. «Маринер-1» и « Маринер-2» несли на борту магнитно-индукционные датчики. Только «Маринер-2» пережил запуск и, проходя мимо Венеры 14 декабря 1962 года, не смог обнаружить магнитное поле вокруг планеты. Частично это было из-за удаленности космического корабля от планеты, шума внутри магнитометра и очень слабого магнитного поля Венеры. [2]Pioneer 6, запущенный в 1965 году, является одним из 4 спутников Pioneer, которые вращаются вокруг Солнца и передают на Землю информацию о солнечном ветре. Этот космический аппарат был оборудован одиночным векторно-феррозондовым магнитометром. [2]

Кольцевые сердечники и сферические [ править ]

Магнитометры с кольцевым сердечником и феррозондом начали заменять магнитометры с векторными датчиками в миссии Apollo 16 в 1972 году, когда на Луне был установлен трехосевой магнитометр. Эти датчики использовались на ряде спутников, включая Magsat , Voyager , Ulysses , Giotto , AMPTE . Lunar Prospector -1 использует кольцевую катушка изготовлена из этих сплавов распространяется далеко друг от друга , и его космического корабля , чтобы искать остаток магнетизма в поверхности луны «немагнитного». [3] [4]

Схема подключения и изображение магнитометра, используемого на Mars Global Surveyor

Правильно сконфигурированные магнитометры способны измерять разность магнитных полей до 1 нТл. Эти устройства с размером жил 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 проволокой обратной связи поперек кольца в сфере может свести на нет этот эффект. Эти более поздние магнитометры были названы сферическими магнитометрами со сферическим сердечником (CSC), используемыми на спутнике Ørsted . Металлические сплавы, составляющие сердечник этих магнитометров, также улучшились со времени полета Аполлона-16: в последнее время используются передовые сплавы молибден-пермаллой , обеспечивающие более низкий уровень шума и более стабильный выходной сигнал. [5]

Фотография магнитометров с поисковой катушкой, использовавшихся в миссиях THEMIS и Cluster / Staff.

Магнитометр с поисковой катушкой [ править ]

Основная статья: Магнитометр с поисковой катушкой

Магнитометры с поисковой катушкой, также называемые индукционными магнитометрами, представляют собой катушки, намотанные вокруг сердечника с высокой магнитной проницаемостью. Поисковые катушки концентрируют силовые линии магнитного поля внутри сердечника вместе с колебаниями. [6] Преимущество этих магнитометров 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 увеличиваться за счет кажущейся проницаемости сердечника. Эта кажущаяся проницаемость (мкА) определяется как:

.

Pioneer 5 миссия наконец -то удалось получить рабочую магнитометр этого типа на орбите вокруг Солнца , показывая , что магнитные поля существовали между Землей и Венерой орбит. [2] [7] Один магнитометр был ориентирован в плоскости, перпендикулярной оси вращения космического корабля. Магнитометры с поисковой катушкой становятся все более распространенными в спутниках наблюдения Земли. Обычно используется трехосный магнитометр с поисковой катушкой. Орбитальная геофизическая обсерватория (миссии OGO - от OGO-1 до OGO-6 ) [8] [9] The Vela (спутник)миссия использовала этот тип как часть пакета, чтобы определить, проводилась ли оценка ядерного оружия за пределами земной атмосферы. [10] В сентябре 1979 года спутник Vela собрал доказательства потенциального ядерного взрыва над юго-западной частью Индийского океана. В 1997 году в США был создан FAST , предназначенный для исследования явлений полярных сияний над полюсами. [11] И в настоящее время он исследует магнитные поля на 10-30 земных радиусах с помощью спутников THEMIS. [12] THEMIS, что означает « Временная история событий и макромасштабные взаимодействия во время суббури», представляет собой группу из пяти спутников, которые надеются собрать более точную историю о том, как возникают и рассеиваются магнитные бури.[13]

Ионизированные газовые магнитометры [ править ]

Хэви-метал - скаляр [ править ]

Некоторые космические аппараты, такие как " Магсат" , оснащены скалярным магнитометром . Выход этих устройств, часто в выходной частоте, пропорционален магнитному полю. Magsat и Grm-A1 имели сенсорные головки пара цезия (цезий-133), состоящие из двух ячеек, такая конструкция оставила две небольшие мертвые зоны. Explorer 10 (P14) был оборудован магнитометром на парах рубидия, предположительно скалярным магнитометром, поскольку космический корабль также имел магнитный клапан. Магнитометр был случайно загрязнен, что привело к его перегреву, он работал в течение определенного периода времени, но через 52 часа передача сигнала задания пропала и не была восстановлена. [14] Рейнджеры 1 и 2 несли магнитометр на парах рубидия, но не смогли достичь лунной орбиты.[2]

Гелий [ править ]

Этот тип магнитометра зависит от изменения поглощательной способности гелия при возбуждении поляризованным инфракрасным светом с приложенным магнитным полем. [15] Векторный гелиевый магнитометр с низким полем был оборудован на космическом корабле Mariner 4, летевшем на Марс, как и зонд Венеры годом ранее, магнитное поле обнаружено не было. [16] Маринер 5 использовал аналогичное устройство. В этом эксперименте гелиевый магнитометр с низким полем использовался для получения трехосных измерений межпланетных и венерианских магнитных полей. Подобно трехосным ферромагнитным магнитометрам по точности, это устройство давало более надежные данные.

Другие типы [ править ]

Магнитометр Оверхаузера обеспечивает чрезвычайно точные измерения силы магнитного поля . Ørsted спутник использует этот тип магнитометра для отображения магнитных полей на поверхности Земли.

В миссии « Авангард-3 » (1959 г.) для измерения геомагнитных полей использовался протонный магнитометр . Источником протонов служил гексан. [17]

Конфигурации магнитометров [ править ]

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 определять 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, требует более чувствительного оборудования. Оборудование обязательно должно было развиваться для решения сегодняшних современных задач.По иронии судьбы спутники, запущенные более 20 лет назад, до сих пор имеют работающие магнитометры в местах, до которых потребовались бы десятилетия, чтобы добраться до сегодняшнего дня, в то же время новейшее оборудование используется для анализа изменений на Земле здесь, у себя дома.

Одноосный [ править ]

Эти простые феррозондовые магнитометры использовались во многих миссиях. На Pioneer 6 и Injun 1 магнитометры были установлены на кронштейне вне космического корабля, и показания снимались при повороте космического корабля на каждые 120 °. [18] Pioneer 7 и Pioneer 8 имеют одинаковую конфигурацию. [19] Магнитный шлюз на Explorer 6 был установлен вдоль оси вращения, чтобы проверить отслеживание линий магнитного поля космическим аппаратом. Магнитометры с поисковой катушкой использовались на Pioneer 1 , Explorer 6, Pioneer 5 и Deep Space 1 .

Диаксиал [ править ]

Двухосный магнитометр был установлен на ATS-1 (спутник прикладных технологий). [20] 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 трехосные векторные измерения. По сравнению с другими магнитометрами, установленными на штанге, эта конфигурация имела значительные помехи. В этом космическом корабле Солнце индуцировало магнитные колебания, и это позволило продолжить использование магнитометра после отказа датчика солнца. Эксплорер 10 имел два феррозондовых магнитометра, но технически классифицировался как двойная техника, поскольку в нем также был магнитометр на парах рубидия.

Трехосный [ править ]

Спутник -3 имел вектор индукционный магнитометр, однако из - за ориентации космического аппарата не может быть определен вектор направления для магнитного поля не может быть определена. Трехосные магнитометры использовались на Luna 1 , Luna 2 , Pioneer Venus , Mariner 2 , Venera 1 , Explorer 12 , Explorer 14 и Explorer 15 . Исследователь 33должен был стать первым американским космическим кораблем, который выйдет на стабильную орбиту вокруг Луны, и был оснащен самым совершенным магнитометром, трехосным магнитометром с магнитным полем (GFSC) раннего векторного типа. Он имел небольшой диапазон, но с точностью до 0,25 нТл. [21] Однако после отказа ракеты она осталась на высокоэллиптической орбите вокруг Земли, которая вращалась через электромагнитный / магнитный хвост. [22]

Изображение лунного стационарного магнитометра в составе пакета ALSEP

Пионер 9 и проводник 34 использовали конфигурацию , аналогичный проводник 33 для обследования магнитного поля в пределах солнечной орбиты Земли. Explorer 35 был первым в своем роде, который вышел на стабильную орбиту вокруг Луны, это оказалось важным, потому что с чувствительным трехосным магнитометром на борту было обнаружено, что у Луны фактически нет магнитного поля, нет радиационного пояса, а солнечные ветры напрямую воздействуют на Луну. . [2] Lunar Prospector исследовал поверхностный магнетизм вокруг Луны (1998–99) с помощью трехосных (удлиненных) магнитометров. С помощью Apollo 12 улучшенные магнитометры были размещены на Луне как часть пакета Lunar Module / Apollo Lunar Surface Experiments.

(ALSEP). [23] [24] Магнитометр продолжал работать через несколько месяцев после того, как этот модуль возврата ушел. В составе ALSEP Apollo 14 был портативный магнитометр.

Впервые трехосный магнитометр с кольцевой катушкой был использован в миссии « Аполлон-16 ». Впоследствии его использовали на Magsat . У миссии MESSENGER есть трехосный магнитометр с кольцевой катушкой с диапазоном +/- 1000 мТл и чувствительностью 0,02 мТл. Миссия все еще продолжается, миссия предназначена для получения подробной информации о магнитосфере Меркурия. [25] Впервые сферический магнитометр в трехосной конфигурации был на спутнике Эрстед .

Смоделированные магнитные поля Земли, данные, полученные со спутников с чувствительными магнитометрами

Двойная техника [ править ]

У каждого типа магнитометра есть свои «слабые места». Это может быть результатом конструкции магнитометра, способа взаимодействия магнитометра с космическим кораблем, излучения Солнца, резонансов и т. Д. Использование совершенно другой конструкции - это способ измерить, какие показания являются результатом естественных магнитных полей и суммы магнитные поля, измененные системами космических аппаратов. К тому же у каждого типа есть свои сильные стороны. Тип феррозонда относительно хорош для предоставления данных, которые обнаруживают магнитные источники. Одной из первых систем с двойной техникой была сокращенная миссия Explorer 10, в которой использовались паровой рубидиевый и двухосный феррозащитные магнитометры. Векторный гелий лучше подходит для отслеживания силовых линий магнитного поля и в качестве скалярного магнитометра. Космический корабль Кассини использовалМагнитометр двойной техники . Одним из таких устройств является векторный индукционный магнитометр с кольцевой катушкой (RCFGM). Другое устройство - векторный / скалярный гелиевый магнитометр. [26] RCFGM установлен на расстоянии 5,5 м на 11-метровой стреле с гелиевым устройством на конце.

Explorer 6 (1959) использовал магнитометр с поисковой катушкой для измерения общего магнитного поля Земли и векторного феррозонда [27], однако из-за наведенного магнетизма в космическом корабле датчик феррозонда стал насыщенным и не отправлял данные. В будущих миссиях будет предпринята попытка разместить магнитометры подальше от космического корабля.

Геологический спутник Magsat Earth также был Dual Technique. Этот спутник и Grm-A1 были оснащены скалярным магнитометром на парах цезия и векторными феррозондовыми магнитометрами. [28] [29] Спутник Grm-A1 несет магнитометр на 4-метровой стреле. Этот конкретный космический корабль был разработан для удержания на точной экви-гравитационной орбите при проведении измерений. [30] Для целей, аналогичных Magsat, спутнику Ørsted , также использовалась система двойной техники. Оверхаузер магнитометррасположен на конце 8-метровой стрелы, чтобы свести к минимуму помехи от электрических систем спутника. Феррозащитный магнитометр CSC расположен внутри корпуса и связан с устройством слежения за звездами. Одно из наиболее значительных достижений двух миссий, миссий Магсат и Эрстед, позволяет запечатлеть период сильного изменения магнитного поля с возможностью потери диполя или смены полюсов. [31] [32]

При установке [ править ]

Простейшие реализации магнитометров устанавливаются непосредственно на автомобили. Тем не менее, это помещает датчик близко к потенциальным помехам, таким как автомобильный ток и черные металлы. Для относительно нечувствительной работы, такой как "компасы" (определение положения) на низкой околоземной орбите , этого может быть достаточно.

Наиболее чувствительные магнитометры устанавливаются на длинных стрелах, развернутых вдали от корабля (например, «Вояджеры» , « Кассини» ). Многие загрязненные поля затем сильно уменьшаются с расстоянием , в то время как фоновые поля остаются неизменными. Могут быть установлены два магнитометра, один только частично внизу стрелы. Поля кузова транспортного средства будут выглядеть разными на двух расстояниях, в то время как фоновые поля могут существенно измениться, а могут и не измениться в таких масштабах. Штанги магнитометров для векторных приборов должны быть жесткими, чтобы предотвратить появление дополнительных изгибающих движений в данных.

На некоторых транспортных средствах магнитометры устанавливаются на более простые существующие приспособления, такие как специально разработанные солнечные батареи (например, Mars Global Surveyor , Juno , MAVEN ). Это экономит стоимость и массу отдельной стрелы. Тем не менее, солнечная батарея должна иметь свои элементы, тщательно проверенные и проверенные, чтобы не стать источником загрязнения .

Примеры [ править ]

  • FIELDS , запуск солнечного зонда Parker в 2018 г.
  • Магнитометр (Juno) на орбитальном аппарате Juno Jupiter, запущенный в 2011 г., прибыл к Юпитеру в 2018 г.
  • Внутренняя характеристика Европы с помощью магнитометрии

См. Также [ править ]

  • Магниторез
  • Магнитометр (Юнона)

Ссылки [ править ]

  1. ^ История векторных магнитометров в космосе
  2. ^ a b c d e f g h i Асиф А. Сиддики 1958. Хроника дальнего космоса. Хронология глубокого космоса и планетных зондов История 1958–2000 . НАСА.
  3. ^ Lunar Prospector Magnetometer (MAG) Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  4. ^ Konopliv AS, Binder AB, Hood LL, Kucinskas AB, Шегрена WL, Williams JG (сентябрь 1998). «Улучшенное гравитационное поле Луны от лунного изыскателя» . Наука . 281 (5382): 1476–80. Bibcode : 1998Sci ... 281.1476K . DOI : 10.1126 / science.281.5382.1476 . PMID  9727968 .
  5. ^ Магнитометр MGS и электронный рефлектометр Марсианский глобальный обзорщик, НАСА
  6. ^ Поисковые катушечные магнитометры (SCM) THEMIS миссия. НАСА
  7. ^ Магнитометр - Pioneer 5 миссия
  8. ^ Магнитометр с поисковой катушкой - миссия OGO1 , Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  9. ^ Frandsen, AMA, Holzer, RE, and Smith, EJ OGO Search Coil Magnetometer Experiments . (1969) IEEE Trans. Geosci. Электрон. GE-7, 61-74.
  10. ^ Магнитометры с поисковой катушкой - миссия Vela2A Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  11. ^ Трехосные магнитометры и магнитометры с поисковой катушкой - Национальный центр космических исследований FAST Mission , НАСА
  12. ^ Магнитометр с поисковой катушкой - Национальный центр данных по космическим наукам Themis-A , НАСА
  13. ^ Themis-A Национальный центр данных по космической науке, НАСА
  14. ^ RB-Vapor и Fluxgate Магнитометры Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  15. ^ Трехосный гелиевый магнитометр с низким полем - миссия Mariner 5 Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  16. ^ Гелиевый магнитометр-Mariner 4 миссия Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  17. ^ Протонный процессионный магнитометр Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  18. ^ Одноосное индукционный магнитометр - Pioneer 6 Национальный космический научный центр данных НАСА
  19. ^ Одноосный магнитометр-Pioneer 9 Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  20. ^ Биаксиальный феррозондовый магнитометр - спутник прикладной технологии -1 (ATS-1) Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  21. ^ Магнитометр GFSC - Explorer 33 Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  22. ^ Behannon KW. Составление карты земной ударной волны и магнитного хвоста на спутнике Explorer 33. 1968. J. Geophys. Res. 73: 907-930
  23. ^ Магнитометр лунной поверхности - Лунный модуль Аполлон-12 Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  24. ^ Лунный поверхностный магнитометр Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  25. ^ MESSENGER Центр данных космических наук, НАСА]
  26. ^ КОСМИЧЕСКИЙ САМОЛЕТ - Cassini Orbiter Instruments - MAG Архивировано 2 июня 2008 г. на Wayback Machine
  27. ^ Экспериментальный исследователь 6 Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  28. ^ Скалярный магнитометр Magsat миссия Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  29. ^ Векторный магнитометр Magsat миссия Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  30. ^ GRM-A1 Национальный центр данных по космическим наукам, НАСА
  31. ^ Юло G, Eymin C, Langlais B, Mandea M, N Olsen (апрель 2002). «Мелкомасштабная структура геодинамо по спутниковым данным Эрстеда и Магсата» . Природа . 416 (6881): 620–3. Bibcode : 2002Natur.416..620H . DOI : 10.1038 / 416620a . PMID 11948347 . 
  32. ^ НАСА И БАЗА МАГНИТНЫХ ДАННЫХ USGS "КАМНИ" МИР НАСА Веб-сайт НАСА, НАСА