Magnetometr kosmické lodi - Spacecraft magnetometer
Magnetometry kosmických lodí jsou magnetometry používané na palubách kosmických lodí a satelitů , většinou pro vědecké výzkumy, plus snímání postojů . Magnetometry patří mezi nejpoužívanější vědecké přístroje v průzkumných a pozorovacích satelitech. Tyto nástroje jsou nástrojem mapování Van Allenovy radiační pásy kolem Země po jejím objevu Explorer 1 , a byly podrobně na magnetická pole na Zemi , Měsíc , Slunce , Mars , Venuše a ostatních planet a měsíců. Probíhají mise využívající magnetometry, včetně pokusů definovat tvar a aktivitu Saturnova jádra.
První magnetometr nesený kosmickou lodí byl umístěn na kosmickou loď Sputnik 3 v roce 1958 a nejpodrobnější magnetická pozorování Země byla provedena satelity Magsat a Ørsted . Magnetometry byly vzaty na Měsíc během pozdějších misí Apollo . Mnoho nástrojů bylo použito k měření síly a směru čar magnetického pole kolem Země a sluneční soustavy .
Magnetometry kosmických lodí v zásadě spadají do tří kategorií: fluxgate, vyhledávací cívka a magnetometry ionizovaného plynu. Nejpřesnější komplexy magnetometru na kosmické lodi obsahují dva samostatné přístroje, přičemž magnetometr s heliovým ionizovaným plynem se používá ke kalibraci přístroje fluxgate pro přesnější odečty. Mnoho pozdějších magnetometrů obsahuje malé prstencové cívky orientované ve 90 ° ve dvou rozměrech vůči sobě navzájem, které tvoří triaxiální rámec pro indikaci směru magnetického pole.
Typy magnetometrů
Magnetometry pro mimoprostorové použití se vyvinuly od 19. do poloviny 20. století a byly poprvé použity v kosmickém letu Sputnikem 3 v roce 1958. Hlavním omezením magnetometrů ve vesmíru je dostupnost energie a hmotnosti. Magnetometry spadají do 3 hlavních kategorií: typ fluxgate, vyhledávací cívka a ionometrické parní magnetometry. Nejnovějším typem je typ Overhauser založený na technologii nukleární magnetické rezonance .
Fluxgate magnetometry
Magnetometry Fluxgate se používají pro svou elektronickou jednoduchost a nízkou hmotnost. V kosmických lodích se používá několik typů fluxgate, které se liší ve dvou ohledech. Primárně lepší hodnoty se získávají třemi magnetometry, každý směřující jiným směrem. Některé kosmické lodě to místo toho dosáhly otáčením plavidla a odečítáním údajů v intervalech 120 °, což však vytváří další problémy. Další rozdíl je v konfiguraci, která je jednoduchá a kruhová.
Magnetometry tohoto typu byly vybaveny misemi „ Pioneer 0 “ / Able 1, „ Pioneer 1 “ / Able 2, Ye1.1, Ye1.2 a Ye1.3, které v roce 1958 selhaly kvůli problémům se startem. Pioneer 1 však shromažďoval údaje o řemenech Van Allen. V roce 1959 sovětská „ Luna 1 “ /Ye1.4 nesla třísložkový magnetometr, který prošel kolem Měsíce na heliocentrickou oběžnou dráhu ve vzdálenosti 6400 mil (10 300 km), ale magnetické pole nebylo možné přesně posoudit. Nakonec SSSR zvládl měsíční náraz pomocí „ Luna 2 “, tříkomponentního magnetometru, a nenašel žádné významné magnetické pole v těsném přiblížení k povrchu. Explorer 10 měl zkrácenou 52hodinovou misi se dvěma magnetometry fluxgate na palubě. V letech 1958 a 1959 mělo selhání charakterizovat mise nesoucí magnetometry: pouze na Able IVB byly ztraceny 2 nástroje . Na začátku roku 1966 SSSR konečně umístil Lunu 10 na oběžnou dráhu kolem měsíce nesoucí magnetometr a byl schopen potvrdit slabou povahu magnetického pole měsíce. Venera 4 , 5 a 6 také nesly magnetometry na svých cestách do Venuše , i když nebyly umístěny na přistávací lodi.
Vektorové senzory
Většina časných fluxgate magnetometrů na kosmické lodi byla vyrobena jako vektorové senzory. Elektronika magnetometru však vytvořila harmonické, které interferovaly s odečty. Správně navržené senzory měly zpětnovazební elektroniku k detektoru, která účinně neutralizovala harmonické. Mariner 1 a Mariner 2 nesly fluxgate-vektorová senzorová zařízení. Pouze Mariner 2 přežil start a když prošel kolem Venuše 14. prosince 1962, nedokázal detekovat magnetické pole kolem planety. To bylo částečně způsobeno vzdáleností kosmické lodi od planety, hlukem uvnitř magnetometru a velmi slabým magnetickým polem Venuše. Pioneer 6, který byl vypuštěn v roce 1965, je jedním ze 4 satelitů Pioneer obíhajících kolem Slunce a přenášejících na Zemi informace o slunečních větrech. Tato kosmická loď byla vybavena jediným vektorovým fluxgate magnetometrem.
Prstencové jádro a sférické
Magnetometry s prstencovým senzorem fluxgate začaly nahrazovat magnetometry vektorových senzorů misí Apollo 16 v roce 1972, kdy byl na Měsíc umístěn tříosý magnetometr. Tyto senzory byly použity na řadě satelitů, včetně Magsat , Voyager , Ulysses , Giotto , AMPTE . Lunar Prospector -1 používá kruhový registr z těchto slitin prodloužena od sebe a jeho kosmické lodi hledat zbytků magnetismu v ‚nemagnetické‘ povrchu měsíce.
Správně nakonfigurované magnetometry jsou schopné měřit rozdíly magnetického pole 1 nT. Tato zařízení s jádry o velikosti asi 1 cm měla nižší hmotnost než vektorové snímače. Bylo však zjištěno, že tato zařízení mají nelineární výstup s magnetickými poli většími než> 5000 nT. Později bylo zjištěno, že vytvoření sférické struktury se smyčkami zpětné vazby příčně ke kruhu ve sféře by mohlo tento efekt vyvrátit. Tyto pozdější magnetometry byly nazývány sférické fluxgate nebo kompaktní sférické jádro (CSC) magnetometry používané v Ørsted satelitu. Kovové slitiny, které tvoří jádro těchto magnetometrů, se také zlepšily od mise Apollo-16 s nejnovějším využitím pokročilých slitin molybdenu a permalloy , které produkují nižší šum a stabilnější výkon.
Magnetometr s vyhledávací cívkou
Magnetometry s vyhledávací cívkou, nazývané také indukční magnetometry, jsou navinuté cívky kolem jádra s vysokou magnetickou permeabilitou. Vyhledávací cívky koncentrují linie magnetického pole uvnitř jádra spolu s fluktuacemi. Výhodou těchto magnetometrů je to, že měří střídavé magnetické pole a mohou tak rychle a mnohokrát za sekundu vyřešit změny v magnetických polích. Podle Lenzova zákona je napětí úměrné časové derivaci magnetického toku. Napětí bude zesíleno zdánlivou propustností jádra. Tato zdánlivá propustnost (µa) je definována jako:
.
Pioneer 5 Mise nakonec podařilo získat pracovní magnetometru tohoto typu na oběžné dráze kolem Slunce ukazuje, že magnetické pole existuje mezi Zemí a Venuší drahách. Jediný magnetometr byl orientován podél roviny kolmé k ose rotace kosmické lodi. Magnetometry s vyhledávací cívkou jsou v družicích pro pozorování Země stále běžnější. Běžně používaným nástrojem je triaxiální magnetometr s vyhledávací cívkou. Orbitová geofyzikální observatoř (mise OGO - OGO-1 až OGO-6 ) Mise Vela (družice) použila tento typ jako součást balíčku k určení, zda je hodnocení jaderných zbraní prováděno mimo zemskou atmosféru. V září 1979 shromáždil satelit Vela důkazy o možném jaderném výbuchu nad jihozápadním Indickým oceánem. V roce 1997 USA vytvořily FAST, který byl navržen pro vyšetřování jevů polární záře nad póly. A v současné době zkoumá magnetická pole na 10 až 30 poloměrech Země pomocí satelitů THEMIS THEMIS, což je zkratka pro Time History of Events and Macroscale Interaction during Substorms, je řada pěti satelitů, které doufají, že shromáždí přesnější historii toho, jak magnetické bouře vznikají a rozptýlit.
Ionizované plynové magnetometry
Heavy metal - skalární
Některé kosmické lodě, jako Magsat , jsou vybaveny skalárním magnetometrem . Výstup z těchto zařízení, často na výstupní frekvenci, je úměrný magnetickému poli. Magsat a Grm-A1 měly hlavy senzoru páry cesia (cesium-133) dvoučlánkového provedení, tento design zanechal dvě malé mrtvé zóny. Explorer 10 (P14) byl vybaven rubidiovým parním magnetometrem, pravděpodobně skalárním magnetometrem, protože kosmická loď měla také fluxgate. Magnetometr byl omylem znečištěn, což způsobilo jeho přehřátí, fungoval po určitou dobu, ale 52 h do přenosu mise zhasl a nebyl znovu získán. Strážci 1 a 2 nesli magnetometr par rubidia, nedosáhli měsíční oběžné dráhy.
Hélium
Tento typ magnetometru závisí na změnách absorpce hélia, když je buzeno, polarizované infračervené světlo s aplikovaným magnetickým polem. Vektorový heliový magnetometr s nízkým polem byl vybaven kosmickou lodí Mariner 4 na Mars jako sonda Venuše o rok dříve, žádné magnetické pole nebylo detekováno. Mariner 5 použil podobné zařízení Pro tento experiment byl použit heliový magnetometr s nízkým polem pro získání triaxiálních měření meziplanetárních a Venušanských magnetických polí. Přesnost, podobná triaxiálním magnetickým magnetům s tokem, poskytovala toto zařízení spolehlivější data.
Jiné typy
Magnetometr Overhauser poskytuje extrémně přesná měření síly magnetického pole . Ørsted satelit používá tento typ magnetometr pro mapování magnetických polí na povrchu země.
Na misi Vanguard 3 (1959) byl k měření geomagnetických polí použit protonový procesní magnetometr . Zdrojem protonu byl hexan.
Konfigurace magnetometrů
Na rozdíl od pozemních magnetometrů, které může uživatel orientovat za účelem určení směru magnetického pole, je uživatel ve vesmíru spojen telekomunikací se satelitem, který cestuje rychlostí 25 000 km za hodinu. Použité magnetometry musí rychle poskytovat přesné údaje, aby bylo možné odvodit magnetická pole. Lze použít několik strategií, je snazší otáčet vesmírným plavidlem kolem jeho osy, než nést váhu dalšího magnetometru. Další strategií je zvětšit velikost rakety nebo učinit magnetometr lehčím a efektivnějším. Jeden z problémů, například při studiu planet s nízkým magnetickým polem, jako je Venuše, vyžaduje citlivější vybavení. Zařízení se nutně muselo vyvíjet pro dnešní moderní úkol. Je ironií, že satelity vypuštěné před 20 lety stále mají funkční magnetometry na místech, kam by to dnes trvalo desetiletí, a zároveň se používá nejnovější vybavení k analýze změn na Zemi zde doma.
Jednoosý
Tyto jednoduché fluxgate magnetometry byly použity na mnoha misích. Na Pioneer 6 a Injun 1 byly magnetometry namontovány na držák vně kosmického plavidla a odečty byly prováděny při otáčení kosmické lodi každých 120 °. Pioneer 7 a Pioneer 8 jsou konfigurovány podobně. Toková brána na průzkumníku 6 byla namontována podél osy rotace, aby se ověřila kosmická loď sledující čáry magnetického pole. Magnetometry s vyhledávací cívkou byly použity na Pioneer 1 , Explorer 6, Pioneer 5 a Deep Space 1 .
Diaxiální
Dvouosý magnetometr byl namontován na ATS-1 (Applications Technology Satellite). Jeden senzor byl na 15 cm výložníku a druhý na ose rotace kosmické lodi (Spin stabilizovaný satelit). Slunce bylo použito ke snímání polohy zařízení namontovaného na výložníku a bylo možné vypočítat triaxiální vektorová měření. Ve srovnání s jinými magnetometry namontovanými na výložníku měla tato konfigurace značné interference. U této kosmické lodi vyvolalo slunce magnetické oscilace, což umožnilo další používání magnetometru i po selhání slunečního senzoru. Explorer 10 měl dva fluxgate magnetometry, ale je technicky klasifikován jako duální technika, protože měl také magnetometr na páru rubidia.
Trojosý
Sputnik -3 měl vektor fluxgate magnetometru, ale proto, že orientace sondy nebylo možné zjistit směr vektoru pro magnetické pole nebylo možné zjistit. Na osách Luna 1 , Luna 2 , Pioneer Venus , Mariner 2 , Venera 1 , Explorer 12 , Explorer 14 a Explorer 15 byly použity tříosé magnetometry . Explorer 33 měl být „první“ americkou kosmickou lodí, která vstoupila na stabilní oběžnou dráhu kolem Měsíce, vybavena nejmodernějším magnetometrem, triaxiálním fluxgate (GFSC) namontovaným na výložníku typu raného vektoru. Měl malý rozsah, ale byl přesný na rozlišení 0,25 nT. Po selhání rakety však byla ponechána na vysoce eliptické oběžné dráze kolem Země, která obíhala přes elektromagnetický / magnetický ocas.
Pioneer 9 a Explorer 34 používá konfiguraci podobnou konfiguraci Explorer 33 na průzkum magnetického pole v zemské sluneční orbitě. Explorer 35 jako první svého typu vstoupil na stabilní oběžnou dráhu kolem Měsíce, což se ukázalo jako důležité, protože s citlivým triaxiálním magnetometrem na palubě bylo zjištěno, že Měsíc ve skutečnosti neměl žádné magnetické pole, žádný radiační pás a sluneční vítr přímo ovlivňoval Měsíc . Lunar Prospector zkoumal povrchový magnetismus kolem Měsíce (1998–99) pomocí triaxiálních (rozšířených) magnetometrů. Díky Apollu 12 byly vylepšené magnetometry umístěny na Měsíc jako součást balíčku Lunar Module / Apollo Lunar Surface Experimental Package
(ALSEP). Magnetometr pokračoval v práci několik měsíců poté, co tento návratový modul odešel. Součástí Apolla 14 ALSEP byl přenosný magnetometr.
První použití tříosého magnetometru s prstencovou cívkou bylo na měsíční misi Apollo 16 . Následně byl použit na Magsat . MESSENGER Mise má triaxiální prsten-coil magnetometr s rozsahem +/- 1000 MT a citlivostí 0,02 mt, stále probíhá, mise je navržena tak, aby získat podrobné informace o Merkuru magnetosféry. První použití sférického magnetometru ve tříosé konfiguraci bylo na satelitu Ørsted .
Duální technika
Každý typ magnetometru má svou vlastní zabudovanou „slabost“. To může být výsledkem konstrukce magnetometru a způsobu, jakým magnetometr interaguje s kosmickou lodí, záření ze slunce, rezonancí atd. Použití zcela jiného designu je způsob, jak měřit, které hodnoty jsou výsledkem přirozených magnetických polí a součtu magnetická pole pozměněná systémy kosmických lodí. Kromě toho má každý typ své silné stránky. Typ fluxgate je relativně dobrý v poskytování dat, která nacházejí magnetické zdroje. Jedním z prvních systémů s duální technikou byla zkrácená mise Explorer 10, která využívala magnetidometry pro výpary rubidia a biaxiální fluxgate. Vektorové hélium je lepší při sledování čar magnetického pole a jako skalární magnetometr. Kosmická loď Cassini použila magnetometr s dvojitou technikou . Jedním z těchto zařízení je vektorový fluxgate magnetometr s kruhovou cívkou (RCFGM). Druhým zařízením je vektorový / skalární heliový magnetometr. RCFGM je namontován 5,5 m na 11 m výložníku s heliovým zařízením na konci.
Explorer 6 (1959) použil k měření hrubého magnetického pole Země a vektorového fluxgate magnetometr s vyhledávací cívkou. Avšak kvůli indukovanému magnetismu ve vesmírném plavidle byl senzor fluxgate nasycen a neposílal data. Budoucí mise by se pokusily umístit magnetometry dále od vesmírného plavidla.
Geologická družice Země Magsat byla také Dual Technique. Tento satelit a Grm-A1 nesly skalární magnetometr s cesními parami a vektorové magnetometry fluxgate. Satelitní nosič Grm-A1 magnetometr na 4metrovém výložníku. Tato konkrétní kosmická loď byla zkonstruována tak, aby během měření udržovala přesnou gravitační dráhu. Pro podobné účely jako Magsat, satelit Ørsted , také používal systém duální techniky. Overhauser magnetometr se nachází na konci 8 metrů dlouhé boom, aby se minimalizovalo rušení od elektrických systémů družice. Magnetometr CSC fluxgate je umístěn uvnitř těla a je spojen se zařízením pro sledování hvězd. Jedním z největších úspěchů těchto dvou misí, mise Magsat a Ørsted, je zachycení období velké změny magnetického pole s potenciálem ztráty dipólu nebo obrácení pólu.
Připojením
Nejjednodušší implementace magnetometru jsou namontovány přímo na jejich vozidlech. Tím se však snímač umístí blízko potenciálních interferencí, jako jsou proudy vozidla a železné materiály. Pro relativně necitlivé práce, jako jsou „kompasy“ (snímání polohy) na oběžné dráze Země , to může stačit.
Nejcitlivější magnetometrické nástroje jsou namontovány na dlouhých výložnících rozmístěných mimo plavidlo (např. Voyagers , Cassini ). Mnoho kontaminujících polí se potom silně zmenšuje se vzdáleností , zatímco pole na pozadí se objevují beze změny. Lze namontovat dva magnetometry, jeden pouze částečně dolů po výložníku. Pole karoserie vozidla se poté budou na dvou vzdálenostech lišit, zatímco pole pozadí se mohou nebo nemusí v takových měřítcích významně měnit. Výložníky magnetometru pro vektorové nástroje musí být pevné, aby se v datech nemohly objevit další ohýbací pohyby.
Některá vozidla montují magnetometry na jednodušší existující přílohy, jako jsou speciálně navržená solární pole (např. Mars Global Surveyor , Juno , MAVEN ). To šetří náklady a hmotnost samostatného výložníku. Solární pole však musí mít své články pečlivě implementovány a testovány, aby se zabránilo kontaminaci pole .
Příklady
- FIELDS , na Parker Solar Probe zahájen v roce 2018
- Magnetometr (Juno) na Juno Jupiter Orbiter, uvedený na trh v roce 2011, dorazil na Jupiter 2018
- Charakterizace interiéru Europa pomocí magnetometrie