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太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究

张爱兵 李晖 孔令高 张珅毅 付利平 薛洪波 杨建峰 何志平 王玲华 李延伟

张爱兵, 李晖, 孔令高, 张珅毅, 付利平, 薛洪波, 杨建峰, 何志平, 王玲华, 李延伟. 太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
引用本文: 张爱兵, 李晖, 孔令高, 张珅毅, 付利平, 薛洪波, 杨建峰, 何志平, 王玲华, 李延伟. 太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
ZHANG Aibing, LI Hui, KONG Linggao, ZHANG Shenyi, FU Liping, XUE Hongbo, YANG Jianfeng, HE Zhiping, WANG Linghua, LI Yanwei. Scientific Payloads Proposal for Chinese Solar System Boundary Exploration Mission[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
Citation: ZHANG Aibing, LI Hui, KONG Linggao, ZHANG Shenyi, FU Liping, XUE Hongbo, YANG Jianfeng, HE Zhiping, WANG Linghua, LI Yanwei. Scientific Payloads Proposal for Chinese Solar System Boundary Exploration Mission[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060

太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
基金项目: 中国科学院专项资助项目(XDA15052500,QYZDJ-SSW-JSC028)
详细信息
    作者简介:

    张爱兵(1977– ),男,研究员,博士生导师,主要研究方向:空间环境探测及研究。通讯地址:北京市海淀区中关村南二条1号(100190)电话:(010)62582827 E-mail:zhab@nssc.ac.cn

  • ● 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.
  • 中图分类号: P353.7

Scientific Payloads Proposal for Chinese Solar System Boundary Exploration Mission

  • 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。
    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  3  等离子体分析仪的继承载荷

    Fig.  3  Payloads from which Plasma Analyzer can draw on heritage

    图  4  拾起离子分析仪的继承载荷

    Fig.  4  Payloads from which Pick-up Ion Analyzer 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  8  国内已有的尘埃探测载荷[11]

    Fig.  8  Current payloads for dust measurement in China

    图  9  相机的继承载荷

    Fig.  9  Payloads from which Camera can draw on heritage

    图  10  紫外光度计的继承载荷

    Fig.  10  Payloads from which UV Photometer 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/
    HEX
    IIE中国太阳系边际探测
    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
    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+
    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):10–16~10–13
    12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415
    2等离子体分析仪48
    3拾起离子分析仪512
    4高能粒子分析仪46
    5能量粒子分析仪3.56
    6中性原子分析仪35
    7尘埃探测器6.510
    8相机1126
    9紫外光度计1.52
    10红外光谱仪7.560
    合计50150
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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
    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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  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-19
  • 修回日期:  2020-10-14
  • 网络出版日期:  2020-12-17

太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
    基金项目:  中国科学院专项资助项目(XDA15052500,QYZDJ-SSW-JSC028)
    作者简介:

    张爱兵(1977– ),男,研究员,博士生导师,主要研究方向:空间环境探测及研究。通讯地址:北京市海淀区中关村南二条1号(100190)电话:(010)62582827 E-mail:zhab@nssc.ac.cn

  • ● 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.
  • 中图分类号: P353.7

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。

注释:
1)  ● 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.

English Abstract

张爱兵, 李晖, 孔令高, 张珅毅, 付利平, 薛洪波, 杨建峰, 何志平, 王玲华, 李延伟. 太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
引用本文: 张爱兵, 李晖, 孔令高, 张珅毅, 付利平, 薛洪波, 杨建峰, 何志平, 王玲华, 李延伟. 太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
ZHANG Aibing, LI Hui, KONG Linggao, ZHANG Shenyi, FU Liping, XUE Hongbo, YANG Jianfeng, HE Zhiping, WANG Linghua, LI Yanwei. Scientific Payloads Proposal for Chinese Solar System Boundary Exploration Mission[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
Citation: ZHANG Aibing, LI Hui, KONG Linggao, ZHANG Shenyi, FU Liping, XUE Hongbo, YANG Jianfeng, HE Zhiping, WANG Linghua, LI Yanwei. Scientific Payloads Proposal for Chinese Solar System Boundary Exploration Mission[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
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