中国科大成功研制北斗三号卫星低能离子能谱仪载荷

发稿时间:2022-10-28浏览次数:10

由物理学院单旭副教授为主任设计师,地球和空间科学学院和物理学院组成的空间等离子体科学探测载荷研制团队,联合航天五院513所等单位,近期成功研制北斗三号卫星低能离子探测载荷(LEIS)。载荷研制成果论文以“A low-energy ion spectrometer with large field of view and wide energy range onboard a Chinese GEO satellite”为题被OpenAstronomy期刊接受发表,首次在轨观测结果以“First results of the low-energy ion spectrometer onboard a Chinese geosynchronous satellite”为题在线发表在SCIENCE CHINA Technological Sciences期刊。

空间低能离子是空间等离子体探测的基本要素,卫星载荷的原位探测数据不仅可以用来研究太阳活动及其太阳风对行星际空间和行星磁场的作用、磁层结构及其动力学、磁场重联和环电流现象等空间物理,而且还能对空间天气极端事件予以预警,为卫星或飞船的安全运行提供保障。因此,绝大部分的探测卫星都会携带空间等离子体探测载荷。与国际先进的低能粒子载荷相比,我国的同类载荷相对落后,获得第一手的基准数据较少,相关科学和应用研究受限。在王水院士、窦贤康院士等人倡议下,2012年地空学院汪毓明团队、物理学院陈向军团队和安琪/刘树彬团队联合组建了中国科大空间低能粒子有效载荷研制团队,由单旭副教授任载荷主任设计师,带领团队进行关键技术攻关。2014年团队完成了空间低能离子谱仪原理样机和性能定标,2015年2月顺利通过专家组评审。2016年3月团队承担实践十八号卫星载荷研制任务,得益于前期的技术攻关,在一年时间内完成了原理样机、鉴定件和飞行件航天产品研制,并于2017年2月交付装星,7月卫星发射。载荷研制成果论文以“A low-energy ion spectrometer with half-space entrance for three-axis stabilized spacecraft”为题发表在SCIENCE CHINA Technological Sciences(2019,62: 1015-1027)期刊。审稿专家评价“It is very encourage to see the compact and capable ion spectrometer developed by a Chinese University. After comparing the parameters of their instrument with similar ones, this LIES shows higher capability than other spectrometers.”(看到中国大学研制出紧凑、功能强大的空间离子谱仪,非常令人鼓舞。与同类仪器参数相比,该谱仪比其它离子谱仪具有更高的性能)。

图1.卫星发射与在轨运行:左图为2020年6月23日卫星发射图(来自央视新闻);右图为卫星载荷在轨运行示意图。

图2.在轨观测结果:左图为空间离子的能量微分通量随能量和时间的变化;右图为空间离子的能量微分通量随能量变化的定量数据。

2018年团队承担北斗三号卫星等离子体探测包的低能离子载荷研制任务,在上款载荷的基础上,进一步拓展了离子能量探测范围;提高了能量和角度分辨率;减小了载荷功耗、尺寸和重量。载荷飞行件产品于2019年11月交付,2020年6月卫星发射成功(见图1)。2020年8月27日首次开机测试正常,2021年9月23日正式开始科学数据测量。图2为首次在轨测量结果,从左图可以看出由磁暴/亚暴导致离子通量变化的典型特征,以及卫星表面充电带来的离子聚集。右图给出了离子微分通量的定量数据,与美国NASA的Van Allan探测结果一致,数据质量达到国际先进水平。相关研究结果近期在线发表在中国科学-技术科学期刊上,审稿专家评价“The results are quite interesting, and the acquired scientific data are important in studying the magnetospheric ion dynamics as well as monitoring space environment.”(结果非常具有吸引力,获取的科学数据对研究磁层离子动力学和监测空间环境很重要)。

北斗三号卫星低能离子载荷的成功研制,标志着中国科大空间低能粒子载荷研制团队和平台建设日趋成熟,已经具备承担相关国家空间探测计划任务的能力。

中国科大单旭副教授为上述论文的第一作者和通讯作者,缪彬副研究员为首次在轨观测成果论文的共同第一作者,汪毓明教授为项目负责人、论文的共同通讯作者。该工作得到中科院、基金委、北斗办、中国科大、513所等单位的资助和支持。

论文链接:

https://www.sciengine.com/SCTS/doi/10.1007/s11431-022-2143-6

https://www.sciengine.com/SCTS/doi/10.1007/s11431-018-9288-8


(地球和空间科学学院、物理学院、科研部)