Войти
Векторный гелиевый магнитометр для Pioneer 10 и 11 космического корабля 
Стрела магнитометра космического корабля "Вояджер" штанга позволяет магнитометру проводить наблюдения с меньшими помехами от самого космического аппарата. Магнитометры космических аппаратов - магнитометры, используемые на борту космических аппаратов и спутников, в основном для научных исследований, плюс определение отношения. Магнитометры являются одними из наиболее широко используемых научных инструментов на поисковых и наблюдательных спутниках. Эти инструменты сыграли важную роль в картировании радиационных поясов Ван Аллена вокруг Земли после их открытия Explorer 1, и детализировали магнитные поля Земли., Луна, Солнце, Марс, Венера и другие планеты и луны. В настоящее время проводятся миссии с использованием магнитометров, включая попытки определить форму и активность ядра Сатурна.
Первый магнитометр на борту космического корабля был размещен на космическом корабле Спутник 3 в 1958 году, и наиболее подробные магнитные наблюдения Земли были выполнены на аппаратах Magsat и Эрстед спутники. Магнитометры были доставлены на Луну во время более поздних миссий Аполлона. Многие инструменты использовались для измерения силы и направления силовых линий вокруг Земли и солнечной системы.
Магнитометры космических аппаратов в основном делятся на три категории: индукционный датчик, поисковая катушка и ионизированные газовые магнитометры. Наиболее точные комплексы магнитометров на космических кораблях содержат два отдельных прибора, в том числе магнитометр с ионизованным газом гелий, используемый для калибровки прибора с феррозондовым датчиком 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.
Магнитометры для использования вне космоса развивались с 19 по середину 20 веков, и были впервые использованы 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. Новейший тип - это тип Оверхаузера, основанный на технологии ядерного магнитного резонанса.
магнитометры установлены на обоих концах узлов солнечных панелей, чтобы изолировать их от магнитных полей космического корабля. Магнитометры с магнитным потоком 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 за счет вращения аппарата и снятия показаний с интервалом 120 °, но это создает другие проблемы. Другое отличие заключается в простой и круглой конфигурации.
Магнитометры этого типа были оборудованы на «Пионер 0 » / Авле 1, «Пионер 1 » / Авле 2, Е1.1, Е1.2, и миссии Ye1.3, которые не удались в 1958 году из-за проблем с запуском. Однако Pioneer 1 собирал данные о ремнях Ван Аллена. В 1959 году советский «Луна-1 » / Ye1.4 нес трехкомпонентный магнитометр, который проходил мимо Луны на гелиоцентрической орбите на расстоянии 6400 миль (10300 км), но магнитное поле могло нельзя точно оценить. В конце концов СССР справился с лунным столкновением с помощью трехкомпонентного магнитометра «Луна 2 », не обнаружив значительного магнитного поля при близком приближении к поверхности. У Explorer 10 был сокращенный 52-часовой полет 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 г. СССР, наконец, вывел Луну 10 на орбиту вокруг Луны с магнитометром и смог подтвердить слабую природу магнитного поля Луны. 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. 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. Mariner 1 и Mariner 2 несли на борту датчик-датчик вектора потока. Только «Маринер-2» пережил запуск и, проходя мимо Венеры 14 декабря 1962 года, не смог обнаружить магнитное поле вокруг планеты. Отчасти это произошло из-за удаленности космического корабля от планеты, шума внутри магнитометра и очень слабого магнитного поля Венеры. 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 корабль был оборудован одним магнитометром с векторным феррозондом.
магнитометры с кольцевым сердечником начали заменять магнитометры с векторным датчиком в миссии Apollo 16 в 1972 г., когда на Луне был установлен трехосевой магнитометр. Эти датчики использовались на нескольких спутниках, включая Magsat, Voyager, Ulysses, Giotto,. Lunar Prospector -1 использует кольцевую катушку из этих сплавов, вытянутую друг от друга и от своего космического корабля, чтобы искать остатки магнетизма на «немагнитной» поверхности луны.
Схема подключения и изображение Магнитометр, используемый на Mars Global Surveyor . При правильной настройке магнитометры способны измерять разность магнитных полей в 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, поперечной кольцу в сфере, может свести на нет этот эффект. Эти более поздние магнитометры были названы сферическими магнитометрами со сферическим сердечником (CSC), используемыми на спутнике Эрстед. Металлические сплавы, составляющие сердечник этих магнитометров, также улучшились со времени полета Аполлона-16 с использованием новейших сплавов молибден-пермаллой, обеспечивающих более низкий уровень шума и более стабильный выходной сигнал.
Фотография магнитометров с поисковой катушкой используется в миссии THEMIS и Cluster / Staff. 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. 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 по времени магнитного потока. Напряжение будет усилено кажущейся проницаемостью сердечника. Эта кажущаяся проницаемость (µa) определяется как:
Миссии Pioneer 5 наконец-то удалось получить работающий магнитометр этого типа на орбите вокруг Солнца, показывающий, что между орбитами Земли и Венеры существуют магнитные поля. Одиночный магнитометр был ориентирован в плоскости, перпендикулярной оси вращения КА. 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 ) Миссия Vela (спутник) использовала этот тип как часть пакета, чтобы определить, проводилась ли оценка ядерного оружия за пределами земной атмосферы. В сентябре 1979 года спутник Vela собрал доказательства потенциального ядерного взрыва над юго-западной частью Индийского океана. В 1997 году в США был создан аппарат FAST, который был разработан для исследования явлений полярных сияний над полюсами. И в настоящее время он исследует магнитные поля на 10-30 земных радиусах с помощью спутников THEMIS. THEMIS, что означает "Временная история событий и макромасштабные взаимодействия во время суббурь", представляет собой группу из пяти спутников, которые надеются собрать более точную историю возникновения магнитных бурь и
Некоторые космические аппараты, такие как Magsat, 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 вызвало его перегрев, он работал в течение определенного периода времени, но через 52 часа передачи данных о миссии он не работал и не был восстановлен. Рейнджеры 1 и 2 несли магнитометр на парах рубидия, но не смогли достичь лунной орбиты.
Этот тип магнитометра зависит от изменения поглощательной способности гелия при возбуждении, поляризованном инфракрасном свете с приложенным магнитное поле. Векторный гелиевый магнитометр с низким полем был оборудован на космическом корабле Mariner 4 на Марс, как и зонд Venus годом ранее, магнитное поле обнаружено не было. Mariner 5 использовал для этого аналогичное устройство. Для проведения трехосных измерений межпланетного и венерианского магнитных полей использовался слабопольный гелиевый магнитометр. Подобно трехосным флюсовым магнитометрам по точности, это устройство давало более надежные данные.
Магнитометр Оверхаузера обеспечивает чрезвычайно точные измерения напряженности магнитного поля. Орстед (спутник) использует этот тип магнитометра для отображения магнитных полей на поверхности земли.
В миссии Vanguard 3 (1959) для измерения геомагнитных полей использовался протонный магнитометр . Источником протонов был гексан.
В отличие от наземных магнитометров, которые пользователь может ориентировать для определения направления магнитного поля, в космосе пользователь связан с помощью телекоммуникаций. спутник, движущийся 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 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 время как новейшее оборудование используется для анализа изменений на Земле здесь, дома.
Эти простые феррозондовые магнитометры использовались во многих миссиях. На Pioneer 6 и магнитометры были установлены на кронштейне вне космического корабля, и показания снимались при повороте космического корабля каждые 120 °. Pioneer 7 и Pioneer 8 настроены аналогично. Магнитный клапан на Explorer 6 был установлен вдоль оси вращения для проверки отслеживания линий магнитного поля космическим аппаратом. Магнитометры с поисковой катушкой использовались на Pioneer 1, Explorer 6, Pioneer 5 и Deep Space 1.
Был установлен двухосевой магнитометр на 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 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. Explorer 10 имел два феррозондовых магнитометра, но технически классифицируется как двойная техника, поскольку в нем также был магнитометр на парах рубидия.
На Спутник -3 был векторный магнитометр с магнитным потоком, однако, поскольку ориентация космического корабля не могла быть определена вектором направления для магнитное поле определить не удалось. Трехосные магнитометры использовались на Luna 1, Luna 2, Pioneer Venus, Mariner 2, Venera 1, Explorer 12, Explorer 14 и Explorer 15. Explorer 33 должен был «стать» первым космическим кораблем США, который выйдет на стабильную орбиту вокруг Луны. Он был оснащен самым совершенным магнитометром, трехосным магнитометром с магнитным потоком (GFSC) раннего векторного типа. Он имел небольшой диапазон, но с точностью до 0,25 нТл. Однако после отказа ракеты он был оставлен на высокоэллиптической орбите вокруг Земли, которая вращалась через электромагнитный / магнитный хвост.
Изображение расположенного на Луне магнитометра как части пакета ALSEP Pioneer 9 и Explorer 34 использовали конфигурацию, аналогичную Explorer 33, для исследования магнитного поля в пределах солнечной орбиты Земли. Explorer 35 был первым в своем роде, вышедшим на стабильную орбиту вокруг Луны, это оказалось важным, потому что с помощью чувствительного трехосного магнитометра на борту было обнаружено, что на Луне фактически не было магнитного поля, радиационного пояса и солнечные ветры напрямую воздействовали на Луну. Lunar Prospector проводились исследования на предмет поверхностного магнетизма вокруг Луны (1998–99) с использованием трехосных (удлиненных) магнитометров. С помощью Apollo 12 улучшенные магнитометры были размещены на Луне как часть Lunar Module / Apollo Lunar Surface Experiments Package
(ALSEP). Магнитометр продолжал работать несколько месяцев после того, как этот модуль возврата покинул его. В составе ALSEP Apollo 14 был портативный магнитометр.
Впервые трехосный магнитометр с кольцевой катушкой был использован в миссии на Луну Аполлон-16. Впоследствии он использовался на Magsat. Миссия MESSENGER имеет 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. Первое использование сферического магнитометра в трехосной конфигурации было на Орстеде (спутник).
Смоделированные магнитные поля Земли, данные, полученные со спутников с чувствительными магнитометрами Каждый тип магнитометра имеет свою встроенную «слабость». Это может быть результатом конструкции магнитометра, способа взаимодействия магнитометра с космическим кораблем, излучения Солнца, резонансов и т. Д. Использование совершенно другой конструкции - 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 газоразрядные магнитометры на парах рубидия и двухосные феррозондовые магнитометры. Векторный гелий лучше подходит для отслеживания силовых линий магнитного поля и в качестве скалярного магнитометра. Космический корабль Кассини использовал магнитометр с двойной техникой . Одним из таких устройств является векторный магнитометр с кольцевой катушкой (RCFGM). Другое устройство - векторный / скалярный гелиевый магнитометр. RCFGM устанавливается на расстоянии 5,5 м на стреле длиной 11 м с гелиевым устройством на конце.
Explorer 6 (1959) использовал магнитометр с поисковой катушкой для измерения общего магнитного поля Земли и векторного феррозонда. Однако из-за наведенного магнетизма в космическом корабле датчик феррозонда стал насыщенным и не отправил данные. В будущих миссиях будет предпринята попытка разместить магнитометры подальше от космического корабля.
Геологический спутник Земли Магсат также был Двойной Техникой. Этот спутник и Grm-A1 были оснащены скалярным магнитометром на парах цезия и векторными феррозондовыми магнитометрами. Спутник Grm-A1 несет магнитометр на 4-метровой стреле. Этот конкретный космический корабль был разработан для удержания на точной эквиравитационной орбите во время проведения измерений. Для целей, аналогичных Magsat, на спутнике Ørsted также использовалась система двойной техники. Магнитометр Оверхаузера расположен на конце 8-метровой стрелы, чтобы минимизировать помехи от электрических систем спутника. Феррозащитный магнитометр CSC расположен внутри корпуса и связан с устройством слежения за звездами. Одно из важнейших достижений этих двух миссий, миссии Магсат и Орстед, позволяет зафиксировать период сильного изменения магнитного поля с возможностью потери диполя или смены полюсов.
Простейшие реализации магнитометров устанавливаются непосредственно на их автомобили. Тем не менее, это помещает датчик близко к потенциальным помехам, таким как автомобильный ток и черные металлы. Для относительно малочувствительной 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. В этом случае поля кузова транспортного средства будут выглядеть разными на двух расстояниях, в то время как фоновые поля могут существенно измениться или не измениться в таких масштабах. Штанги магнитометров для векторных инструментов должны быть жесткими, чтобы предотвратить появление дополнительных изгибающих движений в данных.
На некоторых транспортных средствах магнитометры устанавливаются на более простые существующие устройства, такие как специально разработанные солнечные батареи (например, Mars Global Surveyor, Juno, MAVEN ). Это экономит стоимость и массу отдельной стрелы. Тем не менее, солнечные батареи должны быть тщательно реализованы и протестированы, чтобы не стать загрязняющим полем.
