Scientific Payloads Proposal for Chinese Solar System Boundary Exploration Mission
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摘要: 针对我国目前正在论证的太阳系边际探测任务的科学目标，提出了科学载荷配置建议，包括场、粒子和光学3大类共10台载荷，给出了载荷的性能指标需求及重量和功耗等工程需求。各载荷的方案兼顾指标先进性和研制周期紧迫性，集中了国内多个单位的技术优势，具有较好的技术基础和继承性。针对该超远距离探测任务，提出了载荷小型化和低功耗、高可靠和长寿命、科学数据处理和压缩等共性关键技术及初步解决方案。载荷配置主要立足国内，同时结合已有的国际合作基础，国际合作将会发挥更大作用。Abstract: In view of the scientific objectives of Chinese Solar System Boundary Exploration Mission which is being under discussion, 10 scientific payloads for field, particle and optics are proposed. The payloads performance requirements and engineering requirements such as mass and power are given. The high performance and tight schedule are both taken into consideration for the payloads schemes taking the technical advantages from several Chinese institutions. The development of payloads has good technical basis and inheritability. For this super far away exploration, preliminary solutions to common key technologies such as miniaturization and low power, high reliability and long lifetime, science data processing and compression for payloads are given. The payloads are mainly developed domestically, well international cooperation according to the previous successful collaboration is to play a bigger role.Highlights
● The payloads proposal meets the scientific objectives of Chinese solar system boundary exploration mission ● Technology foundations and heritage are good for the payload. ● International cooperation are recommended for some payloads. -
图 1 科学目标–探测对象–载荷类别–载荷配置对应关系
Fig. 1 Relationship between scientific objectives，measurands，payload category and payloads
图 2 矢量原子磁力仪的继承载荷
Fig. 2 Payloads from which Vector Atomic Magnetometer can draw on heritage
图 5 高能粒子分析仪的继承载荷
Fig. 5 Payloads from which High Energy Particle Analyzer can draw on heritage
图 6 能量粒子分析仪的继承载荷
Fig. 6 Payloads from which Energetic Particle Analyzer can draw on heritagesatellite
图 7 中性原子探测仪高能量探测部分的继承载荷
Fig. 7 Payloads from which high energy part of Energetic Neutral Atom Analyzer can draw on heritage
图 11 红外光谱仪的继承载荷
Fig. 11 Payloads from which Infrared Spectrometer can draw on heritage
图 12 “嫦娥4号”中与本任务相关的国际合作载荷
Fig. 12 International payloads related to this mission on Chang’E-4
表 2 国外太阳系边际探测任务的载荷配置
Table 2 Payloads of overseas Solar system boundary exploration missions
载荷
类别载荷名称 先驱者号 旅行者号 新视野号 IHP/
HEXIIE 中国太阳系边际探测 场 矢量磁强计 √ √ × √ √ √ 磁通门磁强计 √ × × × × × 等离子体波探测器 × √ × √ √ × 粒子 等离子体探测器 √ √ √ √ √ √ 离子成分探测器 × × × √ × √ 能量粒子谱仪 √ √ √ √ √ √ 宇宙线谱仪-ACR/GCR √ √ × √ √ √ 宇宙线谱仪-E/Po/Pr/He √ × × √ √ √ 盖革管望远镜 √ × × × × × 能量中性原子探测器 × × × √ √ √ 微流星探测器 √ × × × × × 宇宙尘埃探测器 √ × √ √ √ √ 光学 相机系统 × √ √ × × √ 红外探测器 √ √ √ × × √ 成像光偏振仪 √ √ × × × × L-α/紫外探测器 √ √ √ √ √ √ 
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表 1 国外太阳系边际探测任务
Table 1 Overseas Solar system boundary exploration missions
任务名称 发射时间 国别 先驱者10号 1972-03-03 美国 先驱者11号 1973-04-06 美国 旅行者1号 1977-09-05 美国 旅行者2号 1977-08-20 美国 新视野号 2006-01-19 美国 IHP/HEX注1 — 欧洲 IIE注2 — 美国 注1：Interstellar Heliopause Probe/Heliospheric Explorer
注2：Innovative Interstellar Explorer
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表 3 载荷性能指标
Table 3 Performance of payloads
载荷类别 载荷名称 性能指标 国外载荷指标 对应科学目标 场 矢量原子磁
力仪小场量程/ nT： ± 8
小场灵敏度/ （nT•Hz-1/2）： ≤ 0.001
小场零点准确度/ nT： ≤ 0.05
大场量程/ nT： ± 700 00
大场灵敏度/ （nT•Hz-1/2）： ≤ 0.05
大场零点准确度/ nT： ≤ 3量程/nT： ± 4、 ± 14、 ± 42、
± 640、± 4000、 ± 22 000、
± 140 000 ± 4范围灵敏度：
10 pT/Hz1/2（先驱者）星际中性原子、星际尘埃等侵入物质的空间分布特性、太阳系其它天体特性、太阳系边际的结构和特性 粒子 等离子体分
析仪离子能量/ keV：0.005~30
电子能量/ keV：0.005~30
能量分辨率/%：优于8
视场/（°）：180 × 8
角度分辨/（°）：22.5 × 8离子能量/keV：0.2~50 （IHP/HEX） 星际中性原子、星际尘埃等侵入物质的空间分布特性、太阳系其它天体特性、太阳系边际的结构和特性 拾起离子分
析仪能量范围/ keV：0.002~40
能量分辨率/%：优于5
视场/（°）：180 × 8
角度分辨/（°）：22.5 × 8
成分分辨：H+、He+、He2+、N+、O+、Ne+等能量范围/keV：0.02~20 （IHP/HEX） 星际中性原子、星际尘埃等侵入物质的空间分布特性、太阳系边际的结构和特性 高能粒子分
析仪质子/ MeV：7～300
电子/ MeV：200～10
重离子/（MeV·n–1）：10～300
测量方向：3个，40°/方向质子/MeV：1~130
电子：100 keV~30MeV
重离子/（MeV•n–1）：2 ~ 260
测量方向：1个，视场35°（IIE）星际中性原子、星际尘埃等侵入物质的空间分布特性、太阳系边际的结构和特性 能量粒子分
析仪质子/keV：20～7
电子/ keV：20～400
重离子/（MeV·n–1）：0.5-20
测量方向：各3个（e/p/ion），30°/方向离子：20 keV/n ~ 5MeV/n
电子/ keV：25~800
测量方向：6个，总视场160° × 12°（IIE）太阳系边际的结构和特性 中性原子分
析仪能量范围/keV：0.01 ~300
成分分辨：H、He、O、Ne
视场/（°）：180 × 2（H），160 × 9（L）
角度分辨/（°）：3 × 2（H），30 × °（L）能量范围：10eV~10 keV
视场：6° × 6°（H），单像素（L）（IIE）星际中性原子、星际尘埃等侵入物质的空间分布特性 尘埃探测器 探测面积/cm2：400
尘埃质量/kg：10–17~10–9
尘埃速度/（km·s–1）：1~5*103
尘埃带电量/（C）：10–16~10–1312块PVF面板探测尘埃（新视野） 星际中性原子、星际尘埃等侵入物质的空间分布特性 光学 窄视场多光谱：焦距1200 mm，口径150 mm，
F数8，视场0.78° × 1.05°，波长460～1 000 nm，
多光谱6～8通道波长/nm：400-975
视场/（°）5.7× 0.15（新视野）相机 宽视场多光谱：焦距150 mm，口径37.5 mm，
F数4，视场6.28° × 8.34°，波长460 ~ 1000 nm，
多光谱6～8通道太阳系其它天体特性、河外背景光之谜 广角：焦距38 mm，口径20 mm，F数1.9，
视场30° × 90°（四个视场30° × 23.4°的相同
相机组成），波长600～1 000 nm紫外光度计 波长/nm：121.6、58.4
视场/（°）：4 × 4波长/nm：121.6
视场：4° × 4°（IIE）河外背景光之谜 红外光谱仪 光谱范围/μm：1.0 ~16.0
光谱分辨率/（cm–1）： ≤ 9
成像视场/（°）：~0.5光谱范围：1.25 μm~2.5 μm
成像视场：0.9°（新视野）太阳系其它天体特性、河外背景光之谜
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表 4 载荷工程需求
Table 4 Engineering requirements of payloads
序号 载荷名称 重量/kg 功耗/W 1 矢量原子磁力仪 4 15 2 等离子体分析仪 4 8 3 拾起离子分析仪 5 12 4 高能粒子分析仪 4 6 5 能量粒子分析仪 3.5 6 6 中性原子分析仪 3 5 7 尘埃探测器 6.5 10 8 相机 11 26 9 紫外光度计 1.5 2 10 红外光谱仪 7.5 60 合计 50 150
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表 5 国内载荷继承性
Table 5 Summary of heritage of domestic payloads
序号 载荷名称 继承型号 继承性 1 矢量原子磁力仪 电磁试验卫星磁强计 部件继承，还需开展关键技术攻关 2 等离子体分析仪 “天舟1号”全向电子能谱仪、风云四号01星低能粒子探测器 完全继承、小型化改造 3 拾起离子分析仪 “天问1号”火星离子与中性粒子分析仪、电磁试验卫星等离子体分析仪 部件继承，还需关键技术攻关 4 高能粒子分析仪 “风云4号”01星高能粒子探测器、空间站实验舱能量粒子探测器 完全继承、小型化改造 5 能量粒子分析仪 北斗卫星中能电子探测器、“风云3号”05星中能粒子探测器 完全继承、小型化改造 6 中性原子分析仪 “天问1号”火星离子与中性粒子分析仪、国家基金委支持的重大科研
仪器研制项目部件继承，还需关键技术攻关 7 尘埃探测器 无 — 8 相机 “嫦娥3号”“嫦娥4号”全景相机、“天问1号”多光谱相机 完全继承、小型化改造 9 紫外光度计 “风云3号”D星电离层光度计 完全继承、小型化改造 10 红外光谱仪 “天问1号”火星矿物光谱分析仪、“嫦娥6号”月球矿物光谱分析仪 部件继承，还需关键技术攻关
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表 6 月球与深空探测任务科学载荷国际合作情况
Table 6 International cooperation on scientific payloads of lunar and deep space missions
任务 载荷 合作单位 太阳系边际探测
相关载荷“嫦娥4号”
着陆器月球中子与辐射
剂量探测仪德国基尔大学 高能粒子分析仪 “嫦娥4号”
巡视器中性原子探测仪 瑞典空间物理所 中性原子探测仪 “天问1号” 火星离子与中性
粒子分析仪瑞士伯尔尼大学 中性原子探测仪
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