低軌微波遙感衛(wèi)星磁設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

吳衛(wèi)權(quán) 陳麗 孫曉春 閆曉

(上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240)

航天器磁矩主要由永磁矩(衛(wèi)星不工作時(shí)產(chǎn)生的磁特性)、雜散磁矩(衛(wèi)星工作時(shí)電流產(chǎn)生的磁特性)組成。軌道地磁場(chǎng)產(chǎn)生的感磁矩不構(gòu)成影響衛(wèi)星姿態(tài)的干擾力矩。因此，衛(wèi)星磁設(shè)計(jì)、磁測(cè)試通常主要針對(duì)永磁矩、雜散磁矩進(jìn)行。航天器姿軌控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮由于其磁特性(永磁矩及雜散磁矩)和軌道環(huán)境磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的磁干擾力矩；航天器磁設(shè)計(jì)、磁試驗(yàn)的主要目的就是凈化其磁特性、減少磁矩、從而達(dá)到減小其與軌道磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的干擾力矩[1]。

常規(guī)衛(wèi)星(本文定義為：非高功率、大電流工作工況衛(wèi)星)磁設(shè)計(jì)通常包括：選材、布局、走線、磁屏蔽、磁補(bǔ)償?shù)瓤刂菩l(wèi)星磁性的技術(shù)措施。常規(guī)衛(wèi)星由于其不同工況下工作電流不大，各工況的雜散磁矩量級(jí)也不大；即使不同工況間磁矩存在一定差異，但最終均可通過整星磁補(bǔ)償方法有效降低衛(wèi)星磁矩，滿足在軌磁矩指標(biāo)要求。

微波遙感衛(wèi)星屬中低軌道非自旋體類衛(wèi)星，與其它常規(guī)類型衛(wèi)星相比，除了一般常規(guī)衛(wèi)星所具有及須控制的措施外，微波遙感衛(wèi)星SAR天線載荷功率大(數(shù)千至數(shù)萬瓦)，衛(wèi)星星體和SAR天線陣等接地線數(shù)量多、引線長，星體及SAR天線載荷內(nèi)外相關(guān)供電線路電流大、電流回路走向復(fù)雜。由電流回路產(chǎn)生的整星雜散磁矩(與線路數(shù)量及電流大小成正相關(guān)性)必然也很大，如不精心磁設(shè)計(jì)將引起衛(wèi)星不同工況雜散磁矩量級(jí)及差異很大。即使最終通過磁補(bǔ)償方法也未必能控制衛(wèi)星整星磁矩、進(jìn)而累及衛(wèi)星二次磁設(shè)計(jì)技術(shù)改進(jìn)；造成衛(wèi)星研制進(jìn)度延遲和研制經(jīng)費(fèi)的損失。因此，在衛(wèi)星研制初期，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)必須足夠重視這一問題；對(duì)該類衛(wèi)星產(chǎn)生大雜散磁矩的幾個(gè)因素進(jìn)行嚴(yán)格的磁設(shè)計(jì)及磁測(cè)試，凈化衛(wèi)星磁環(huán)境，有效減少衛(wèi)星磁矩，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌磁矩指標(biāo)要求[2-3]。

本文分析了低軌微波遙感衛(wèi)星主要磁源分布特征，針對(duì)其載荷功率大，裝載的TR組件、有源天線陣、電源及SAR等系統(tǒng)間供電電流回路、星內(nèi)接地回路等可能產(chǎn)生較大雜散磁矩的幾個(gè)重要因素，在常規(guī)衛(wèi)星磁設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開展衛(wèi)星磁設(shè)計(jì)技術(shù)研究；提出了TR組件、天線陣面雙模塊磁性布局及接地方式、星內(nèi)接地網(wǎng)布局方式，明確了電源系統(tǒng)與SAR相關(guān)單機(jī)間布線設(shè)計(jì)方法和改進(jìn)措施并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效減少了大功率微波遙感衛(wèi)星雜散磁矩。

1 衛(wèi)星磁性分布特征

衛(wèi)星磁矩分布特征如下：衛(wèi)星整星磁矩(永磁矩+雜散磁矩)主要由衛(wèi)星本體磁矩和本體外大型部件(太陽電池陣(含驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))+SAR天線陣(含展開電機(jī)))磁矩兩大部分構(gòu)成。其中，衛(wèi)星本體永磁矩為除去太陽電池陣及其展開機(jī)構(gòu)、SAR天線及其展開電機(jī)后，衛(wèi)星不通電時(shí)產(chǎn)生的磁矩；衛(wèi)星本體雜散磁矩為除去太陽帆板及其展開機(jī)構(gòu)、SAR天線及其展開電機(jī)后，衛(wèi)星星內(nèi)各種電流回路產(chǎn)生的磁矩。

太陽電池陣永磁矩分布特征為：陣板材料為無磁，裝星后，由陣板間對(duì)稱性其總磁矩疊加為零；太陽電池陣雜散磁矩分布特征為：由對(duì)稱性走線布局，展開后6塊太陽電池陣板之間雜散磁矩對(duì)稱抵消，疊加后總磁矩為零。

太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)永磁矩分布特征為：單個(gè)步進(jìn)電機(jī)的總磁矩較小，磁矩主要在軸向；裝星后，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)間的對(duì)稱性抵消了軸向和另一方向分量磁矩，故其對(duì)整星磁矩貢獻(xiàn)可以忽略。太陽電池陣雜散磁矩分布特征為：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)展開后長期通電，存在雜散磁矩，磁矩方向在軸向，對(duì)稱性裝星后相互間磁矩抵消。

SAR天線陣永磁矩分布特征為：①中板永磁矩按實(shí)際布局獨(dú)立實(shí)測(cè)獲?。虎趩螇K天線側(cè)板永磁矩主要在法向，裝星后，收縮態(tài)下陣板間磁矩相互抵消，對(duì)整星磁矩貢獻(xiàn)為零，展開態(tài)下陣板間永磁矩疊加。

SAR天線陣雜散磁矩分布特征為：

(1)中板雜散磁矩按等效負(fù)載模擬通電下的磁矩實(shí)測(cè)值。

(2)側(cè)板雜散磁矩分布特征為：①星體內(nèi)部主要是SAR直傳態(tài)下100 Ah氫鎳電池、電源控制器、SAR相關(guān)單機(jī)工作時(shí)構(gòu)成的電流回路產(chǎn)生，小S中繼子系統(tǒng)相關(guān)電流回路與SAR側(cè)板無關(guān)；②星體外部即側(cè)板自身產(chǎn)生的電流回路其產(chǎn)生的雜散磁矩、其方向主要在側(cè)板法向，收攏態(tài)下對(duì)整星磁矩構(gòu)成抵消，展開態(tài)下為疊加；③SAR系統(tǒng)(發(fā)射工作狀態(tài))高頻微波不產(chǎn)生有效的雜散磁矩，可忽略。

SAR天線展開電機(jī)永磁矩分布特征為：天線展開后其不再通電，僅考慮其永磁矩對(duì)整星磁矩的貢獻(xiàn)值，疊加到整星后其合成磁矩由電機(jī)的3個(gè)分量磁矩值決定。電機(jī)磁矩主方向在軸向，其它方向很小，僅考慮軸向磁矩。由機(jī)構(gòu)安裝特點(diǎn)：天線收攏、展開狀態(tài)下電機(jī)軸向磁矩始終指向衛(wèi)星Z方向，收攏、展開兩種狀態(tài)下對(duì)衛(wèi)星磁矩貢獻(xiàn)值相同，又由機(jī)構(gòu)布局，兩展開電機(jī)磁矩分量為同向、展開前后磁矩方向不變；SAR天線展開電機(jī)雜散磁矩分布特征為：電機(jī)瞬間工作，天線展開后電機(jī)不通電，磁矩可忽略。

由上述分析可知：衛(wèi)星整星磁矩主要由衛(wèi)星本體及SAR系統(tǒng)產(chǎn)生的磁矩形成。

2 衛(wèi)星磁設(shè)計(jì)

針對(duì)微波遙感衛(wèi)星大功率載荷中TR組件、有源天線陣、電源、SAR及其相關(guān)系統(tǒng)供電電流回路、接地回路等產(chǎn)生大磁矩的幾個(gè)重要因素，開展磁設(shè)計(jì)、實(shí)施磁性控制措施。嚴(yán)格控制衛(wèi)星本體內(nèi)、外及SAR相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生的磁矩是保證衛(wèi)星在軌磁矩滿足總體技術(shù)要求的關(guān)鍵[2]。

2.1 大功率SAR天線磁設(shè)計(jì)

根據(jù)SAR天線系統(tǒng)磁性分布特征，大型有源天線陣和星上數(shù)百個(gè)小型化TR組件是SAR天線系統(tǒng)磁矩控制的重點(diǎn)。

1)TR組件

裝星TR組件數(shù)量多，分析表明：TR組件底板、圍框、蓋板、微波電路及13個(gè)裝于TR組件內(nèi)部的芯片基片，均為無磁材料。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：單個(gè)TR組件的磁矩為1×10-2mA·m2，可確保這些TR組件疊加后其磁矩仍保持在很小量級(jí)水平[4]。

2)有源天線陣面

為減少和控制有源天線陣面磁矩，設(shè)計(jì)措施如下[5]：

(1)天線陣面安置多個(gè)雙模塊，這些雙模塊對(duì)稱布局，每個(gè)模塊上的TR組件與相鄰模塊上的TR組件，電流流向反向布局；并使相鄰模塊電流回路產(chǎn)生的磁矩相互抵消，如圖1所示；

(2)天線左右側(cè)板對(duì)稱布局，對(duì)稱陣板之間電流流向?qū)ΨQ布局，使板與板之間電流回路產(chǎn)生磁矩相互抵消；

(3)每個(gè)雙模塊內(nèi)避免構(gòu)成較大電流回路；每個(gè)雙模塊內(nèi)大于10 mA的電流回路采用絞合線，小于10 mA的電流回路正線和回線盡量靠攏走線；

(4)每個(gè)雙模塊按圖2方式設(shè)計(jì)接地線；接地線長度控制在0.5 m內(nèi)，減少其回路電流形成磁場(chǎng)的面積。

圖1 28個(gè)雙模塊布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of 28 modules

圖2 雙模塊內(nèi)接地設(shè)計(jì)圖Fig.2 Block diagram of grounding design for each dual-module

2.2 星內(nèi)接地、電源系統(tǒng)及SAR相關(guān)單機(jī)間布線設(shè)計(jì)

1)星內(nèi)接地措施

由衛(wèi)星磁性分布特征，控制星體內(nèi)的接地回路和能源、SAR相關(guān)系統(tǒng)供電回路是減少星內(nèi)雜散磁矩的關(guān)鍵，查找星內(nèi)產(chǎn)生電流回路源、綜合分析回路走線和回路面積大小，結(jié)合整星防空間環(huán)境靜電放電的接地要求，確定整星設(shè)計(jì)三級(jí)接地網(wǎng)，如圖3所示，設(shè)計(jì)措施如下：

(1)設(shè)備內(nèi)大于10 mA的電流回路采用絞合線，小于10 mA的電流回路正線和回線靠攏走線；

(2)接地通路采用單點(diǎn)接地方式并避免形成面積大于0.01 m2的電流回路；

(3)阻斷渦流通路，在結(jié)構(gòu)中采用一些絕緣材料來阻斷渦流通路，避免平面內(nèi)包圍大面積傳導(dǎo)電路。

圖3 整星三級(jí)接地網(wǎng)框圖Fig. 3 Block diagram of three-staged grounding network

2)星體內(nèi)電源系統(tǒng)及SAR相關(guān)單機(jī)間供電電纜布線措施

為減少和控制星內(nèi)SAR、電源系統(tǒng)之間供電電纜電流輸入/輸出形成的電流回路面積，對(duì)星內(nèi)SAR、電源電纜走線及走向進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)(見圖4、圖5、圖6)。

下列五種星內(nèi)系統(tǒng)間供電電纜走線均采取并行走線走向方式，使供電電纜電流回路圍成的面積為最小。

(1)外電狀態(tài)下電源控制器至蓄電池正、負(fù)極的供電線路走線；

(2)內(nèi)電狀態(tài)下蓄電池至負(fù)載的正、負(fù)極的供電線路走線；

(3)蓄電池間的功率電纜走線；

(4)蓄電池正極至電流測(cè)量盒的供電線路走線；

(5)電流測(cè)量盒至天線配電器的供電線路走線。

圖4 衛(wèi)星平臺(tái)加電(內(nèi)、外電)模式下電纜 走線及電流走向圖Fig. 4 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (both inside and outside)

圖5 衛(wèi)星平臺(tái)加電、SAR直傳(外電)模式下 電纜走線及電流走向圖(改進(jìn)前)Fig.5 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (before modification)

圖6 衛(wèi)星平臺(tái)加電、SAR直傳(外電)模式下電纜走線 及電流走向圖(改進(jìn)后)Fig.6 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (after modification)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過上述磁設(shè)計(jì)措施后，分別對(duì)SAR天線陣、太陽陣、及衛(wèi)星整星進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)采用的方法、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)環(huán)境條件等均嚴(yán)格按照國軍標(biāo)《航天器磁設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法》(GJB 7679-2012)所規(guī)定的要求執(zhí)行(本文不作敘述)[5]。

3.1 SAR天線試驗(yàn)驗(yàn)證

由于天線發(fā)射工況特殊性，采用電阻等效負(fù)載方式模擬在軌電流工況對(duì)有源微波天線進(jìn)行雜散磁矩的測(cè)試。為去除電阻負(fù)載回流的影響，在進(jìn)行雜散磁矩測(cè)試前，對(duì)不帶等效負(fù)載的有源微波天線進(jìn)行靜態(tài)永磁矩測(cè)試，然后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，迭代計(jì)算后獲取有源微波天線通電和不通電下2種工況磁矩值。

由于SAR天線-X、+X側(cè)板是完全等效對(duì)稱，故僅針對(duì)+X側(cè)板進(jìn)行磁測(cè)試，并推算整個(gè)天線陣面的磁性分布狀態(tài)。被測(cè)天線側(cè)板及測(cè)試設(shè)備組成框圖如圖7所示。

SAR天線+X側(cè)板磁矩實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示，由衛(wèi)星整星磁矩分布特征可知，側(cè)板收攏和展開態(tài)下X分量磁矩對(duì)衛(wèi)星貢獻(xiàn)不變，Y、Z分量值相互替換；故僅考慮側(cè)板通電態(tài)下收攏與展開態(tài)Y、Z磁矩分量對(duì)衛(wèi)星整星磁矩貢獻(xiàn)的區(qū)別后，即可推算得到其在軌等效磁矩值。

圖 7 SAR天線+X側(cè)板磁測(cè)試組成框圖Fig.7 Block diagram of magtic test setup of SAR antenna +X sideplate

SAR側(cè)板收攏與展開態(tài)下其磁矩分量對(duì)整星磁矩不同貢獻(xiàn)值如表2。

由表2[4]可知：SAR天線側(cè)板收攏與展開態(tài)下對(duì)整星磁矩分量貢獻(xiàn)值MX、MY是相同的，MZ在軌磁矩與地面試驗(yàn)收攏態(tài)僅相差152 mA·m2，遠(yuǎn)滿足其磁設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，證明SAR天線陣磁設(shè)計(jì)合理有效。

表 1 SAR天線+X側(cè)板磁矩測(cè)試結(jié)果Table 1 Result of magnetic moment test of sar antenna +X sideplate mA·m2

表2 SAR天線側(cè)板收攏與展開態(tài)下對(duì)整星磁矩分量貢獻(xiàn)值Table 2 Magnetic moment contribution of sar antenna with sideplate folded and deployed mA·m2

3.2 衛(wèi)星本體雜散磁矩試驗(yàn)驗(yàn)證

衛(wèi)星本體磁測(cè)試時(shí)，其工作模式完全模擬衛(wèi)星在軌狀態(tài)，與SAR天線磁矩?cái)M合后獲得的衛(wèi)星在軌磁矩值如表3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)大功率SAR天線磁設(shè)計(jì)效果分析

大功率SAR天線單翼板磁測(cè)試與天線陣綜合計(jì)算結(jié)果(見表1、表2)表明：天線陣面的供電和控制電纜正負(fù)線采用雙絞線方式；板內(nèi)部件及模塊對(duì)稱性布局；散線連接的熱控電纜正負(fù)線置于同一線束內(nèi)并對(duì)稱布置；兩翼對(duì)稱陣板之間電流流向?qū)ΨQ布局；雙模塊內(nèi)避開天線配電器接地方式；上述這些磁設(shè)計(jì)措施降低且抵消了大功率SAR天線電流產(chǎn)生的磁特性，使單翼板與板之間產(chǎn)生的磁矩相互抵消，大大的提升了SAR系統(tǒng)磁凈化程度。

2)星內(nèi)接地、電源系統(tǒng)及SAR相關(guān)單機(jī)間布線磁設(shè)計(jì)效果分析

衛(wèi)星星內(nèi)線路改進(jìn)前后不同工況下磁測(cè)試結(jié)果(見表3)表明：星體內(nèi)接地回路方式，衛(wèi)星能源系統(tǒng)及SAR相關(guān)系統(tǒng)供電回路走向是減少星內(nèi)雜散磁矩的關(guān)鍵。

衛(wèi)星能源系統(tǒng)及SAR相關(guān)系統(tǒng)供電回路走向線路改進(jìn)前，衛(wèi)星平臺(tái)加電、SAR直傳時(shí)，內(nèi)、外電不同供電下，衛(wèi)星X、Z方向雜散磁矩差異較大。 70 Ah電池(與100 Ah電池同為俄羅斯產(chǎn)品)，在放電70 A、100 A模式下，電池本身產(chǎn)生的雜散磁矩不是很大，由此，可認(rèn)為磁矩變化主要原因是由100 Ah電池工作電流回路面積產(chǎn)生的雜散磁矩造成。實(shí)際檢查結(jié)果證明100 Ah電池內(nèi)、外電供電電纜存在較大的電流回路(見圖5)，其產(chǎn)生的雜散磁矩是衛(wèi)星各工況磁矩過大和不穩(wěn)定的主要因素。

通過合理規(guī)范星內(nèi)電纜長度和改進(jìn)SAR、能源系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品間電纜走線路徑和電流走向(圖6所示)，使產(chǎn)生大電流的電流正負(fù)線緊貼并行走向方式，構(gòu)成電流回路的面積達(dá)到最??；其電流回路面積由1.7 m2降為0.1 m2。線路改進(jìn)后，平臺(tái)加電狀態(tài)下的星內(nèi)電流回路(見圖4)引起的雜散磁矩較小，70 Ah電池相關(guān)的供電回路電纜布局合理，70 Ah電池本身引起的磁矩變化小。平臺(tái)加電、SAR直傳工況下雜散磁矩明顯降低，衛(wèi)星100 Ah電池相關(guān)供電電流回路改進(jìn)合理有效(見圖6和表4)；電流回路控制措施的改進(jìn)和實(shí)施，大大改善了整星磁潔凈度。

微波遙感衛(wèi)星整星磁設(shè)計(jì)、磁測(cè)試結(jié)果表明：衛(wèi)星整星及SAR天線接地設(shè)計(jì)，小型化TR組件及有源天線陣、星體內(nèi)電纜等結(jié)構(gòu)、工藝布局和走線設(shè)計(jì)合理，極大地減少了整星靜態(tài)永磁矩、動(dòng)態(tài)場(chǎng)雜散磁矩；設(shè)計(jì)改進(jìn)后的衛(wèi)星整星磁矩值滿足總體磁指標(biāo)要求。

本次試驗(yàn)按照《航天器磁設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法》(GJB 7679-2012)所規(guī)定的技術(shù)要求進(jìn)行，并參照國家標(biāo)準(zhǔn)《航天器磁性評(píng)估和控制方法》(GB/T 32307-2015)執(zhí)行。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果不確定度優(yōu)于5%[6]。

5 結(jié)束語

低軌微波遙感衛(wèi)星首次在國內(nèi)完成了整星磁設(shè)計(jì)、磁測(cè)試。衛(wèi)星接地網(wǎng)絡(luò)、大面積有源SAR天線陣、雙模塊、TR組件、攜陣面單機(jī)、星體內(nèi)、外單機(jī)及系統(tǒng)間電纜等磁設(shè)計(jì)技術(shù)措施正確?？刂菩巧想娎|的電流回路面積和限制回路數(shù)量，并采用單點(diǎn)接地系統(tǒng)，避免星內(nèi)大電流供電回路的形成，是有效控制衛(wèi)星動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)、減少衛(wèi)星雜散磁矩的關(guān)鍵。通過設(shè)計(jì)合理的邊界條件和模擬試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星整星和大型部件單獨(dú)磁矩測(cè)試、擬合計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證；滿足了衛(wèi)星在軌磁矩6 A·m2技術(shù)指標(biāo)要求。對(duì)今后國內(nèi)類似遙感衛(wèi)星及大功率動(dòng)能類衛(wèi)星磁設(shè)計(jì)、磁試驗(yàn)具有參考借鑒作用。