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空间磁场对卫星姿态有何影响?

2019-09-05

卫星在太空中的飞行是失重的,所以对它的姿态需要进行控制,否则卫星就会漫无目的天旋地转,这样的状态是绝对不允许存在的。

任务不同的卫星对姿态的要求也不一样,比如对于通讯卫星来说,就需要将通讯天线始终对准地面。对于太阳观测卫星来说,就要求主要的观测设备必须时刻对准太阳。为了保证充足的飞行动能,卫星的飞行姿态也要尽量保证太阳能帆板能最大面积接受太阳照射。

卫星在太空飞行过程中,姿态会受到很多因素的影响,例如因重力梯度产生的力矩、气流变化产生的力矩、太阳辐射力矩和磁力矩。这些影响因素在不同的高度表现出来的重要程度不同,在低高度范围内(300-550km),重力梯度力矩和气动力矩占主导,延伸至高高度区域(800km以上)后,磁力矩的重要性就体现出来了。

此外,飞行器在飞行过程中会做切割磁感线运行从而产生感生电场,电压可达0.4V/m,在做空间环境相关分析的过程中,这是一个不可忽视电压,它能导致卫星表面带电引起电荷积累,这一效应会引起空间探测卫星的电场测量数据和粒子探测数据产生严重误差。

卫星在自旋运行的过程中,卫星的自旋轴会与地磁场构成闭合回路,并不断切割磁力线产生感应电流,产生的感应电流会引起阻尼效应,结果就是导致卫星的自旋速率下降,也被称为消旋。

与此同时,感应电流自身也会产生磁矩,这个磁矩是加快卫星自旋的,也被称为旋进力矩。这会就有人要问了,两个力矩在一起不就抵消了嘛,如何会对卫星的姿态产生影响呢?这就要比较两个力矩的大小了,消旋力矩与垂直于自旋轴的磁场分量平方成正比,而旋进力矩与平行于自旋轴的地磁场分量成正比,两项一比较就会导致卫星自选速率出现偏差,因此在卫星上都配有消旋设备来控制卫星上的磁性以保证卫星的自旋稳定,要知道在空间粒子探测过程中,卫星的自旋粒子分布函数的形成至关重要。

在低高度区域地磁场通常比较稳定,我们也常用这一区间的磁场作为标定卫星姿态的一个参考系,通过卫星搭载磁强计计算得到的数据和地磁场的空间分布进行对比,我们就可以确定卫星的姿态。

如果在卫星三个相互垂直的方向分别安装通过一定电流的线圈就能产生满足一定要求的力矩,这个方法也经常用来进行姿态控制。

那么空间中的磁场又该怎么测量呢?目前卫星上流行搭载的测量仪器是磁通门磁强计。它的分辨率能够达到0.1nT的数量级,量程达到从0.1nT到几万nT,能够覆盖地磁场范围。

要想理解磁通门磁强计的原理就得理解什么是“磁滞回线”和 “磁饱和现象”。简单说来,磁场强度和磁感应强度有一个对应关系,这个对应关系就是磁滞回线。这两者通常不是线性变化的,而是非线性的,当磁场强度H大于一定值Hm后,磁感应强度不再增大,这个现象就是磁饱和现象。

利用材料的这一特性,我们把探头测量的磁场作为输入,通过一系列信号传输我们就能得到正比于输入磁场的磁感应信号,从而获得空间磁场数据。当测量磁场大于高磁导率材料的饱和Hm后,信后就被调制,就像是一道门,所以也被形象的成为磁通门磁强计。

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