航天器磁场模拟试验装置研究

作     者：叶建成 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 

学位级别：硕士

导师姓名：周斌;张艺腾

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：磁场 反演 补偿 线圈 

摘      要：空间科学探测领域中,航天器由于自身材料特性以及内部的电流体系等因素产生的磁场,通过磁场叠加、洛伦兹力、原子层面物理效应等方式对很多传感器的探测结果产生影响。工程上空间科学探测所采用的航天器一般都会进行充分的磁洁净设计,同时采用伸杆、部件布局优化、磁屏蔽、补偿等措施降低航天器自身的磁场干扰。对航天器磁场采取措施效果的分析一般都是通过仿真模拟的方式进行,目前并没有通过试验装置通过试验模拟同时进行实时优化的方法和手段。本报告的研究内容通过对航天器磁场模型理论的研究,设计了一套航天器内部磁场的模拟试验装置。并根据实际空间探测背景,设计了两种利用这一装置解决实际问题的试验用例,通过仿真和试验结合的方法,验证了本装置对于优化航天器内部磁场和磁场干扰降低的措施有效性。本报告基于航天器内部磁源的多偶极子模型和球谐函数模型的物理描述,研制了一种基于铝合金框架和小型标准线圈构成的试验系统。线圈的位置可以通过铝合金框架进行准确定位,通过施加不同的类型的电流,实现直流和交流的磁源。这一框架可自由的扩展所需的航天器尺寸。基于这一装置进行了卫星磁场反演算法和航天器内部低磁场主动补偿方法的验证试验。首先通过计算方式,验证所用方法的有效性,并优化验证试验所需磁传感器以及线圈的构型和安装方式。然后利用本装置进行实际的试验,通过与仿真结果的比对验证了本装置的可行性。本报告得出以下结论。(1)航天器磁场模拟试验装置能够有效的模拟航天器内部磁源,同时具有定量测量和扩展性,可以满足有关航天器磁场多种类型的模拟、反演、补偿等试验的要求。(2)卫星磁场反演算法的试验结果验证了利用两个或者三个磁传感器放置在远离卫星一定距离后,能够利用偶极子近似反演卫星磁场,消除卫星磁场的干扰。三探头数据比两探头数据能够更准确的进行反演。(3)航天器内部低磁场主动补偿试验结果,验证了利用主动补偿线圈可以有效的在航天器内部复杂磁环境中构建一个磁场和磁场梯度显著降低的环境。