美国发射“磁层多尺度”磁气圈探测星座

徐冰 （北京空间科技信息研究所）

美国发射“磁层多尺度”磁气圈探测星座

徐冰 （北京空间科技信息研究所）

2 0 1 5年3月1 3日，美国航空航天局（N A S A）的4颗“磁层多尺度”（MMS）卫星搭乘宇宙神-5运载火箭发射升空，开启了为期2年的磁重接（magnetic reconnection）现象探测之旅。

1　 项目概况

由4颗MMS组成的空间磁场探测星座，用于对地球磁气圈内磁重接、高能粒子加速和湍流3种等离子体效应开展微观物理学研究。MMS任务的总科学目标是研究磁重接物理现象，它有3个具体的科学目标，按照优先级分别为研究电子惯性效应和湍流分散在磁重接现象中的作用，磁重接现象的等级和影响因素，以及离子惯性效应在磁重接现象中的作用。MMS任务将首次展现在地球等离子体空间环境中自然产生的磁重接物理现象的小尺度三维结构和动态过程。磁重接现象可引起等离子体区域的能量、质量和动量的流动，因此研究磁重接现象是人类了解天体物理学和太阳系统等离子体的基础。

MMS任务由美国航空航天局科学任务委员会的太阳物理学部门管理，戈达德航天中心（GSFC）负责研制4颗卫星和星间测距通信系统。西南研究所（SwRI）将带领一众合作单位组成有效载荷研制团队，共同负责科学研究和有效载荷研制工作，具体包括美国新罕布什尔州大学、戈达德航天中心、约翰霍普金斯大学的应用物理实验室（JHU/ APL）、美国科罗拉多大学的大气与空间物理实验室（LASP），以及奥地利、瑞典、法国和日本等国际合作伙伴。

2005年5月，美国航空航天局决定让西南研究所有效载荷研制团队与戈达德航天中心协同工作，共同负责MMS项目的任务设计。2009年5月，MMS项目通过初期设计评审，于2010年8月完成关键设计评审，2012年8月完成系统集成评审，开始进入整星集成阶段，2013年8月进入整星测试阶段。

2　 卫星系统

MMS星座运行于大椭圆轨道，由4颗完全相同的卫星组成，在轨道中采用可调整的四面体构型，星间距离数十千米到数百千米。每颗卫星发射质量约1250kg（其中推进剂360kg），寿命末期功率约318W，设计寿命2年。星体由铝材料制成，呈八棱柱体构型，截面直径3.5m，高1.2m，采用自旋稳定控制方式，转速为3r/min。MMS卫星采用模块化设计，简化集成与测试流程。卫星由姿态控制、推进、电源、热控和测控等分系统组成，侧表面覆有850m2太阳电池阵，采用被动热控技术，上下行测控均采用S频段。每颗卫星有8个可展开吊杆，轴面（即卫星上下面）各有一个长12.5m的吊杆，装有电场测量载荷，自旋面（即卫星侧面）装有6个吊杆，其中4个长60m，装有电场测量载荷；另外2个长5m，装有磁强计。

MMS星座采用“一箭四星”发射，在发射前，除需对单星进行环境试验外，还需对4颗卫星堆栈整体进行额外测试。

MMS星座可实现同时在空间多点获取测量数据，能够区分空间变化和时间演变，进而避免单星测量常出现的空间-时间模糊问题。

MMS卫星结构图

地球磁气圈中磁重接现象多发区域（红色区域）

3　 轨道设计

由于磁重接现象主要存在于地球磁气圈中的2个主要区域（见图“地球磁气圈中磁重接现象多发区域”的红色区域），这2个区域的磁重接现象尺度不同，磁场方向也不同，因此，MMS任务分为2个阶段进行科学探测。阶段1主要探测地日面磁顶区域的磁重接现象，阶段2主要探测地夜面磁尾区域的磁重接现象。2个阶段采用不同的运行轨道和星间构型，星间距离由目标区域磁重接物理现象的尺度大小决定。为了保持精确星座构型，每颗卫星都安装了戈达德航天中心研制的星间测距与报警系统（IRAS），每个星间测距与报警系统只进行单向星间距离测量，每隔4min测量1次。

阶段1：探测区域受行星际磁场与地磁场同时作用，MMS星座采用1.2Re（近地点）×12Re（远地点）（1Re=6371km，为地球半径）高度轨道，星间距离为10～160km。星座在地日面距离地球9Re以上，日地线30°之间的轨道弧段开展科学探测。

阶段2：探测区域如MMS星座构型图右侧红色区域，MMS星座采用1.2 Re×25 Re高度轨道，星间距离为30～400km，星座在地夜面距离地球15 Re以上，日地线30°～40°之间的轨道弧段开展科学探测。

MMS采用堆栈式发射构型

MMS星座构型

4　 主要有效载荷

西南研究所带领其他机构的研究人员共同组成了MMS科学研究项目组，名为“解决磁畴加速、重接与湍流”（SMART）。

MMS卫星的有效载荷按照探测目标可分为热等离子体、高能粒子和场3个载荷组。

热等离子体载荷组包括“快速等离子体仪器”（FPI）、“热等离子体成分分析仪”（HPCA）两种载荷。“快速等离子体仪器”由戈达德航天中心领导研制，参与机构包括西南研究所，日本宇宙航空开发机构/宇宙科学研究所（JAXA/ISAS）、马歇尔航天中心（MSFC）等。每颗MMS卫星装有4台“快速等离子体仪器”，每台“快速等离子体仪器”由1台“双离子传感器”（DIS）和1台“双电子传感器”（DES）组成，主要用于测量离子和电子的三维通量分布，能程约为10eV～30keV，能量分辨率为20%。电子测量时间分辨率30ms，离子测量时间分辨率150ms。“热等离子体成分分析仪”由西南研究所领导研制，用于测量高通量区域的氧和氦等离子，能程约为10eV～30keV，能量分辨率为20%，时间分辨率为15s。“热等离子体成分分析仪”可精确区分和确定磁气圈中氢、氦、氧等离子的微小含量，而且该仪器鲁棒性好，功率低，质量小，非常适于空间科学探测任务。

高能粒子载荷组包括“高能粒子传感器”（F E E P S）、“高能离子光谱仪”（E I S）2种载荷。“高能粒子传感器”由美国宇航公司（Aerospace Corporation）领导研制，每颗MMS卫星装有2台“高能粒子传感器”，主要用于测量高能离子和高能电子的通量分布，能程约为25～500keV（电子）和45～500keV（离子），时间分辨率10s。“高能离子光谱仪”由应用物理实验室领导研制，用于测量离子成分和分布，能程约为45～500keV，时间分辨率30s。

场载荷组包括“模拟磁通门磁强计”（AFG）、“数字磁通门磁强计”（DFG）、“电子漂移仪器”（EDI）、“自旋面/轴面双探针”（SDP/ADP）、“探测线圈磁强计”（SCM）和“中央电子箱”（CEB）共6种载荷，用于测量磁重接区域的电场和磁场。“模拟磁通门磁强计”和“数字磁通门磁强计”载荷分别由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和布伦瑞克工业大学研制。这2种不同类型的磁强计在磁场测量时可互为补充。每颗MMS卫星装有2台“电子漂移仪器”。“电子漂移仪器”由电子喷射组件和光学组件组成，电子喷射组件由奥地利科学院空间研究所研制，光学组件由爱荷华大学研制。其中一台“电子漂移仪器”向另一台喷射1keV的电子流，“电子漂移仪器”通过测量电子漂移情况来实现电场和磁场测量。

每颗MMS卫星装有4台“自旋面探针”，球形传感器安装在卫星自旋面吊杆顶端。“自旋面探针”由瑞典皇家理工学院（KTH）和瑞典空间物理学院联合研制。“轴面探针”由美国科罗拉多大学的大气与空间物理实验室和新罕布什尔大学研制，传感器安装在卫星轴面吊杆顶端。“自旋面/轴面双探针”共同实现电场三维测量，精度为1mV/m。“探测线圈磁强计”由法国地球与行星环境研究中心（CETP）研制，用于测量三维磁场。“中央电子箱”主要为场载荷组提供所需功率、控制和数据处理。

MMS卫星有效载荷配置图

5　 地面段

MMS地面段负责MMS星座的在轨运行管理，以及卫星科学数据产品的生产、存储、管理和分发。MMS地面段具体包括：①任务运行中心（MOC），位于戈达德航天中心，负责卫星在轨运行和遥控遥测；②飞行动态操作区（FDOA），位于戈达德航天中心，负责卫星轨道和姿态确定与控制；③科学运行中心（SOC），位于美国科罗拉多大学的大气与空间物理实验室，由有效载荷运行中心（POC）和科学数据中心（SDC）组成，负责有效载荷操作，数据处理、存储和分发；④SMART有效载荷团队设施（ITF），有效载荷团队负责数据分析与验证，有效载荷监测和特殊操作需求，开发快视和L2等级数据产品软件系统，L2等级数据处理，开发公共应用数据产品分析工具等；⑤教育与公众宣传（EPO），位于莱斯大学，负责向学校和公众分发教育材料。

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