美國發射“磁層多尺度”磁氣圈探測星座

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

美國發射“磁層多尺度”磁氣圈探測星座

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

2 0 1 5年3月1 3日，美國航空航天局（N A S A）的4顆“磁層多尺度”（MMS）衛星搭乘宇宙神-5運載火箭發射升空，開啟了為期2年的磁重接（magnetic reconnection）現象探測之旅。

1　 項目概況

由4顆MMS組成的空間磁場探測星座，用于對地球磁氣圈內磁重接、高能粒子加速和湍流3種等離子體效應開展微觀物理學研究。MMS任務的總科學目標是研究磁重接物理現象，它有3個具體的科學目標，按照優先級分別為研究電子慣性效應和湍流分散在磁重接現象中的作用，磁重接現象的等級和影響因素，以及離子慣性效應在磁重接現象中的作用。MMS任務將首次展現在地球等離子體空間環境中自然產生的磁重接物理現象的小尺度三維結構和動態過程。磁重接現象可引起等離子體區域的能量、質量和動量的流動，因此研究磁重接現象是人類了解天體物理學和太陽系統等離子體的基礎。

MMS任務由美國航空航天局科學任務委員會的太陽物理學部門管理，戈達德航天中心（GSFC）負責研制4顆衛星和星間測距通信系統。西南研究所（SwRI）將帶領一眾合作單位組成有效載荷研制團隊，共同負責科學研究和有效載荷研制工作，具體包括美國新罕布什爾州大學、戈達德航天中心、約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室（JHU/ APL）、美國科羅拉多大學的大氣與空間物理實驗室（LASP），以及奧地利、瑞典、法國和日本等國際合作伙伴。

2005年5月，美國航空航天局決定讓西南研究所有效載荷研制團隊與戈達德航天中心協同工作，共同負責MMS項目的任務設計。2009年5月，MMS項目通過初期設計評審，于2010年8月完成關鍵設計評審，2012年8月完成系統集成評審，開始進入整星集成階段，2013年8月進入整星測試階段。

2　 衛星系統

MMS星座運行于大橢圓軌道，由4顆完全相同的衛星組成，在軌道中采用可調整的四面體構型，星間距離數十千米到數百千米。每顆衛星發射質量約1250kg（其中推進劑360kg），壽命末期功率約318W，設計壽命2年。星體由鋁材料制成，呈八棱柱體構型，截面直徑3.5m，高1.2m，采用自旋穩定控制方式，轉速為3r/min。MMS衛星采用模塊化設計，簡化集成與測試流程。衛星由姿態控制、推進、電源、熱控和測控等分系統組成，側表面覆有850m2太陽電池陣，采用被動熱控技術，上下行測控均采用S頻段。每顆衛星有8個可展開吊桿，軸面（即衛星上下面）各有一個長12.5m的吊桿，裝有電場測量載荷，自旋面（即衛星側面）裝有6個吊桿，其中4個長60m，裝有電場測量載荷；另外2個長5m，裝有磁強計。

MMS星座采用“一箭四星”發射，在發射前，除需對單星進行環境試驗外，還需對4顆衛星堆棧整體進行額外測試。

MMS星座可實現同時在空間多點獲取測量數據，能夠區分空間變化和時間演變，進而避免單星測量常出現的空間-時間模糊問題。

MMS衛星結構圖

地球磁氣圈中磁重接現象多發區域（紅色區域）

3　 軌道設計

由于磁重接現象主要存在于地球磁氣圈中的2個主要區域（見圖“地球磁氣圈中磁重接現象多發區域”的紅色區域），這2個區域的磁重接現象尺度不同，磁場方向也不同，因此，MMS任務分為2個階段進行科學探測。階段1主要探測地日面磁頂區域的磁重接現象，階段2主要探測地夜面磁尾區域的磁重接現象。2個階段采用不同的運行軌道和星間構型，星間距離由目標區域磁重接物理現象的尺度大小決定。為了保持精確星座構型，每顆衛星都安裝了戈達德航天中心研制的星間測距與報警系統（IRAS），每個星間測距與報警系統只進行單向星間距離測量，每隔4min測量1次。

階段1：探測區域受行星際磁場與地磁場同時作用，MMS星座采用1.2Re（近地點）×12Re（遠地點）（1Re=6371km，為地球半徑）高度軌道，星間距離為10～160km。星座在地日面距離地球9Re以上，日地線30°之間的軌道弧段開展科學探測。

階段2：探測區域如MMS星座構型圖右側紅色區域，MMS星座采用1.2 Re×25 Re高度軌道，星間距離為30～400km，星座在地夜面距離地球15 Re以上，日地線30°～40°之間的軌道弧段開展科學探測。

MMS采用堆棧式發射構型

MMS星座構型

4　 主要有效載荷

西南研究所帶領其他機構的研究人員共同組成了MMS科學研究項目組，名為“解決磁疇加速、重接與湍流”（SMART）。

MMS衛星的有效載荷按照探測目標可分為熱等離子體、高能粒子和場3個載荷組。

熱等離子體載荷組包括“快速等離子體儀器”（FPI）、“熱等離子體成分分析儀”（HPCA）兩種載荷。“快速等離子體儀器”由戈達德航天中心領導研制，參與機構包括西南研究所，日本宇宙航空開發機構/宇宙科學研究所（JAXA/ISAS）、馬歇爾航天中心（MSFC）等。每顆MMS衛星裝有4臺“快速等離子體儀器”，每臺“快速等離子體儀器”由1臺“雙離子傳感器”（DIS）和1臺“雙電子傳感器”（DES）組成，主要用于測量離子和電子的三維通量分布，能程約為10eV～30keV，能量分辨率為20%。電子測量時間分辨率30ms，離子測量時間分辨率150ms。“熱等離子體成分分析儀”由西南研究所領導研制，用于測量高通量區域的氧和氦等離子，能程約為10eV～30keV，能量分辨率為20%，時間分辨率為15s。“熱等離子體成分分析儀”可精確區分和確定磁氣圈中氫、氦、氧等離子的微小含量，而且該儀器魯棒性好，功率低，質量小，非常適于空間科學探測任務。

高能粒子載荷組包括“高能粒子傳感器”（F E E P S）、“高能離子光譜儀”（E I S）2種載荷。“高能粒子傳感器”由美國宇航公司（Aerospace Corporation）領導研制，每顆MMS衛星裝有2臺“高能粒子傳感器”，主要用于測量高能離子和高能電子的通量分布，能程約為25～500keV（電子）和45～500keV（離子），時間分辨率10s。“高能離子光譜儀”由應用物理實驗室領導研制，用于測量離子成分和分布，能程約為45～500keV，時間分辨率30s。

場載荷組包括“模擬磁通門磁強計”（AFG）、“數字磁通門磁強計”（DFG）、“電子漂移儀器”（EDI）、“自旋面/軸面雙探針”（SDP/ADP）、“探測線圈磁強計”（SCM）和“中央電子箱”（CEB）共6種載荷，用于測量磁重接區域的電場和磁場。“模擬磁通門磁強計”和“數字磁通門磁強計”載荷分別由美國加利福尼亞大學洛杉磯分校和布倫瑞克工業大學研制。這2種不同類型的磁強計在磁場測量時可互為補充。每顆MMS衛星裝有2臺“電子漂移儀器”。“電子漂移儀器”由電子噴射組件和光學組件組成，電子噴射組件由奧地利科學院空間研究所研制，光學組件由愛荷華大學研制。其中一臺“電子漂移儀器”向另一臺噴射1keV的電子流，“電子漂移儀器”通過測量電子漂移情況來實現電場和磁場測量。

每顆MMS衛星裝有4臺“自旋面探針”，球形傳感器安裝在衛星自旋面吊桿頂端。“自旋面探針”由瑞典皇家理工學院（KTH）和瑞典空間物理學院聯合研制。“軸面探針”由美國科羅拉多大學的大氣與空間物理實驗室和新罕布什爾大學研制，傳感器安裝在衛星軸面吊桿頂端。“自旋面/軸面雙探針”共同實現電場三維測量，精度為1mV/m。“探測線圈磁強計”由法國地球與行星環境研究中心（CETP）研制，用于測量三維磁場。“中央電子箱”主要為場載荷組提供所需功率、控制和數據處理。

MMS衛星有效載荷配置圖

5　 地面段

MMS地面段負責MMS星座的在軌運行管理，以及衛星科學數據產品的生產、存儲、管理和分發。MMS地面段具體包括：①任務運行中心（MOC），位于戈達德航天中心，負責衛星在軌運行和遙控遙測；②飛行動態操作區（FDOA），位于戈達德航天中心，負責衛星軌道和姿態確定與控制；③科學運行中心（SOC），位于美國科羅拉多大學的大氣與空間物理實驗室，由有效載荷運行中心（POC）和科學數據中心（SDC）組成，負責有效載荷操作，數據處理、存儲和分發；④SMART有效載荷團隊設施（ITF），有效載荷團隊負責數據分析與驗證，有效載荷監測和特殊操作需求，開發快視和L2等級數據產品軟件系統，L2等級數據處理，開發公共應用數據產品分析工具等；⑤教育與公眾宣傳（EPO），位于萊斯大學，負責向學校和公眾分發教育材料。

Magnetospheric Multiscale Mission Launched In March