NASA розробляє новий магнітометр для малих космічних апаратів

Команда, що працює за підтримки NASA, розробляє революційний підхід до вимірювання магнітних полів шляхом створення нової системи, яка може одночасно проводити наукові вимірювання та забезпечувати функції контролю орієнтації космічного апарата. Ця нова система є малою, легкою та може бути розміщена на борту космічного апарата, що усуває потребу в стрілових конструкціях, які зазвичай необхідні для вимірювання магнітного поля Землі. Це дозволяє меншим та дешевшим космічним апаратам проводити такі вимірювання.

Нова система може не лише дозволити малим космічним апаратам вимірювати магнітне поле, але й замінити стандартні системи контролю орієнтації в майбутніх космічних апаратах, що обертаються навколо Землі. Це дасть змогу їм забезпечувати важливі глобальні вимірювання, які допомагають зрозуміти, як магнітне поле Землі захищає нас від небезпечних сонячних частинок.

Сонячні бурі спричиняють космічну погоду, яка загрожує багатьом нашим активам у космосі та може також порушувати верхні шари атмосфери Землі, впливаючи на наші комунікації та енергетичні мережі. На щастя, магнітне поле Землі захищає нас і направляє більшу частину цієї енергії до північного та południного полюсів, створюючи полярні сяйва. Полярні сяйва є прекрасним проявом електромагнітної енергії та струмів, які протікають через космічне середовище Землі. Вони часто мають дрібномасштабні магнітні особливості, які впливають на загальну енергію, що протікає через систему.

Спостереження за цими дрібними особливостями потребує множинних одночасних спостережень у широкому діапазоні просторових та часових масштабів, що може бути досягнуто за допомогою сузір'їв малих космічних апаратів. Для забезпечення таких сузір'їв NASA розробляє інноваційний гібридний магнітометр, який проводить як вимірювання постійного струму, так і змінного струму магнітного поля та вбудований у систему визначення та контролю орієнтації космічного апарата.

Система визначення та контролю орієнтації дозволяє супутнику знати та контролювати, куди він спрямований. Потрібні високопродуктивні прилади з низькими показниками розміру, ваги, споживання енергії та вартості, а також здатність виготовляти та тестувати велику кількість цих приладів у межах типового графіка створення польотних зразків. Майбутні комерційні або наукові супутники могли б використовувати ці малі, легкі вбудовані гібридні магнітометри для проведення типів вимірювань, які розширять наше розуміння космічної погоди та того, як магнітне поле Землі реагує на сонячні бурі.

Зазвичай неможливо проводити дослідницькі вимірювання постійного та змінного струму магнітного поля за допомогою датчиків всередині системи визначення та контролю орієнтації, оскільки ця система знаходиться всередині космічного апарата поблизу джерел магнітного шуму, таких як магнітні стержні крутного моменту. Це електромагніти, які генерують магнітне поле та взаємодіють з магнітним полем Землі для контролю орієнтації космічного апарата.

Попередні місії, які використовували як магнітометри постійного, так і змінного струму, розміщували їх на довгих стрілах, спрямованих у протилежних напрямках від супутника, щоб тримати датчики якомога далі від космічного апарата та один від одного. Крім того, типовий магнітометр, який використовується системою визначення та контролю орієнтації для вимірювання орієнтації космічного апарата відносно геомагнітного поля, не проводить вибірку достатньо швидко для вимірювання високочастотних сигналів, необхідних для спостережень магнітного поля.

Команда Мічиганського університету, що працює за підтримки NASA, розробляє новий гібридний магнітометр та систему визначення і контролю орієнтації, який є одним пакетом з низькими показниками розміру, ваги, споживання енергії та вартості, що може бути інтегрований у космічний апарат без стріл. Система складається з тривісного пошукового котушкового магнітометра змінного струму та тривісного магнітометра постійного струму Quad-Mag.

Магнітометр постійного струму Quad-Mag використовує машинне навчання для забезпечення магнітометрії постійного струму без стріл, а гібридний пошуковий котушковий магнітометр змінного струму включає стержні крутного моменту для визначення орієнтації, що дозволяє єдиній системі об'ємом один кубічний юніт виконувати функції системи визначення та контролю орієнтації, а також збирати наукові вимірювання.

Команда включає кілька технологій у систему для забезпечення успіху. Апаратне забезпечення Quad-Mag складається з чотирьох магнітоіндуктивних магнітометрів та кваліфікованого для космосу мікроконтролера, встановлених на одній друкованій платі формату CubeSat розміром десять на десять сантиметрів. Ці два типи пристроїв є комерційно доступними. Поєднання кількох датчиків на одній платі збільшує чутливість приладу в два рази порівняно з використанням одного датчика.

Розподілені датчики дозволяють ідентифікувати шум на малих супутниках, забезпечуючи магнітометричне зондування наукового рівня, яке є ключовим як для вимірювань магнітного поля, так і для визначення орієнтації. Той самий тип магнітометра є частиною магнітометра NASA Artemis Lunar Gateway, запуск якого заплановано на початок 2027 року.

Команда використовує електроніку пошукових котушок та електроніку стержнів крутного моменту, які були розроблені для інших зусиль, у новий спосіб. Використання цих двох електронних систем дозволяє електромагнітним стержням у системі використовуватися двома різними способами як стержні крутного моменту для визначення орієнтації та як пошукові котушки для проведення наукових вимірювань.

Електроніка пошукових котушок була розроблена для наземних вимірювань для спостереження ультранизькочастотних сигналів до кількох кілогерц, які генеруються магнітними маяками для локалізації в приміщеннях. Електроніка стержнів крутного моменту була розроблена для використання на CubeSat та літала на кількох CubeSat Мічиганського університету.

Концепція полягає в тому, щоб використовувати електроніку стержнів крутного моменту за потреби для контролю орієнтації та використовувати електроніку пошукових котушок решту часу для проведення наукових вимірювань магнітного поля змінного струму. Застосування машинного навчання до цих розподілених датчиків автономно усуватиме шум, генерований космічним апаратом.

Команда розробляє потужний алгоритм неконтрольованого розділення сліпих джерел та новий метод, який називається вейвлет-адаптивне скасування перешкод для недовизначених платформ, для виконання цього завдання. Цей метод уже був продемонстрований у моделюванні та лабораторії.

Система знаходиться на ранній стадії розробки, і повний інженерний зразок знаходиться в розробці. Проект виконується переважно студентами бакалаврату та магістратури, забезпечуючи практичну експериментальну підготовку для майбутніх науковців та інженерів. Керівником проекту є професор Марк Молдвін з Мічиганського університету, а спонсорською організацією є програма розробки геліофізичних технологій та приладів для науки відділу геліофізики NASA.