GB/T 32307-2015 航天器磁性评估和控制方法

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中华人民共和国国彖标淮

GB/T32307—2015

航天器磁性评估和控制方法

Assessmentandcontrolmethodsofspacecraftmagneticproperty

2015-12-31发布2016-07-01实施

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GB/T32307—2015

目次

前言m

引言N

1范围1

2术语和定义1

3航天器磁性评估和控制目的2

4航天器的主要磁源2

4.1硬磁材料磁源2

4.2软磁材料磁源2

4.3电流回路2

5航天器的轨道磁场及特点2

5.1地球磁场2

5.2月球磁场3

5.3太阳磁场3

5.4部分太阳系行星际磁场3

5.5火星磁场3

5.6木星磁场3

6航天器磁性评估和控制流程3

7航天器磁性指标要求5

7.1由航天器磁干扰力矩约束的磁矩指标要求5

7.2由航天器器载磁强计等磁敏感部件约束的干扰磁场指标要求5

8航天器磁性设计评估5

8.1磁性设计评估目的5

8.2磁性设计评估主要计算方法5

8.3磁性设计评估项目6

8.4磁性设计评估报告7

9航天器磁性控制7

9.1航天器磁性控制要求7

9.2航天器磁性控制措施8

10航天器磁性测试10

10.1航天器磁矩测试10

10.2航天器干扰磁场测试11

10.3航天器磁性测量影响因素12

附录A（资料性附录）航天器磁矩的分类和计算13

附录B（资料性附录）地球磁场环境模型15

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附录C（资料性附录）磁场和磁矩的单位制和单位转换系数16

附录D（资料性附录）航天器单位质量磁矩估值17

附录E（资料性附录）口旋航天器的涡流效应和磁滞阻尼18

附录F（资料性附录）航天器磁性测试方法20

附录G（资料性附录）航天器典型元器件和部件经充退磁后的磁场数据30

附录H（资料性附录）国内外航天器磁场和磁强计特性31

参考文献32

n

GB/T32307—2015

本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。

本标准由中国航天科技集团公司提出。

本标准由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)归口。

本标准起草单位：上海卫星装备研究所、中国航天标准化研究所。

本标准主要起草人：吴卫权、王钦、车腊梅、柳金生、陈丽、王浩、孙晓春、谢永权、党欣、赵丹、叶文、

王韬、沈辉、蓝增瑞、袁孝康。

m

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引言

航天器进人任务轨道时，其自身磁性会与轨道环境磁场相互作用产生磁干扰力矩，从而影响航天器

姿态;航天器自身产生的磁场会影响航天器器载磁强计等磁敏感部件的性能。为了减小航天器磁干扰

力矩、降低航天器自身磁场对其磁敏感部件的干扰，航天器总体设计时应对其进行磁性设计和测试评估

并提出相应的磁性控制要求。本标准所涉及的航天器磁性设计、控制方法已在载人飞船、深空探测器、

各种中低轨道卫星等型号上得到成功验证和应用。本标准对航天器磁性设计评估、控制和测试评估具

有积极指导作用。

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航天器磁性评估和控制方法

1范围

本标准规定了航天器磁性评估和磁性控制的目的、程序和方法。

本标准适用于航天器及其部、组件的磁性评估和磁性控制。

2术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

2.1

航天器剩磁场spacecraftresidualmagneticfield

在外加磁场消除以后航天器不工作时仍保留的磁场。

2.2

航天器剩磁矩spacecraftresidualmagneticmoment

航天器剩磁场所对应的磁矩。

2.3

航天器杂散磁场spacecraftstraymagneticfield

航天器通电T作时，由电流引起的磁场。

2.4

航天器杂散磁矩spacecraftstraymagneticmoment

航天器杂散磁场所对应的磁矩。

2.5

航天器感磁场spacecraftinductingmagneticfield

在内、外部磁场因素作用下航天器软磁材料感生的磁场。

2.6

航天器感磁矩spacecraftinductingmagneticmoment

航天器感磁场所对应的磁矩。

2.7

航天器涡流磁场spacecraftwhirlingmagneticfield

航天器或部件处于交变磁场中或在恒定磁场中旋转时，由其导体感生的涡流引起的磁场。

2.8

航天器涡流磁矩spacecraftwhirlingmagneticmoment

航天器涡流磁场所对应的磁矩。

2.9

航天器干扰磁场spacecraftinterferingmagneticfield

航天器在器载磁传感器及磁敏感部件位置处产生的磁场。

2.10

零磁线圈系统zeromagneticfieldcoilsystem

以正交三轴方式绕制的线圈装置，当对线圈通电时，沿单轴或多轴产生磁场，用来抵消有限空间中

1

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的地磁场。

2.11

充退磁线圈系统magnetizationanddemagnetizationcoilsystem

由导线绕成用于试件充磁或退磁的线圈装置。当通以直流或交流电时，在线圈中心轴向产生直流

或交流磁场。

3航天器磁性评估和控制目的

3.1评估和控制航天器的磁矩，使其满足姿控系统允许的最大磁干扰力矩要求。

3.2评估和控制航天器产生的磁场，使其在器载磁强计传感器等磁敏感部件安装部位区域的干扰磁场

不影响磁敏感部件的性能。

4航天器的主要磁源

4.1硬磁材料磁源

航天器主要的硬磁材料磁源有：继电器、行波管、磁记录器、铁氧体隔离器、环行器、电机、开关、飞

轮、电磁阀、变压器、电感器等。

4.2软磁材料磁源

航天器主要的软磁材料磁源有：电子部件引线、紧固件、轴承、晶体管外壳、金属密封圈、电池等。

4.3电流回路

电流回路是航天器的主要磁源，包括航天器内设备之间和设备内部件之间的供电电缆构成的电流

回路、太阳电池阵中的电流通道与回流母线、天线阵及电池正负线供电回路、温控加热片供电回路、螺线

管和环型绕组、变压器和电感器绕组、接地电流通路等。结构部件中的涡流效应也可能产生电流回路。

电流回路产生磁矩的大小与通电电流、回路的面积和线圈匝数成正比。

航天器的主要磁矩包括剩磁矩、杂散磁矩、感生磁矩和涡流磁矩，具体计算方法参见附录A。

5航天器的轨道磁场及特点

5.1地球磁场

5.1.1概述

航天器围绕地球航行时所处的轨道磁场为地磁场，地磁场的模型与算法参见附录B。

5.1.2地球低轨道（1000km以下）

当航天器星下点处于最高纬度处时，磁感应强度最大，在赤道附近较弱。

磁感应强度最小值IBImin=3105T„

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磁感应强度最大值IB|max=7X10-5To

5.1.3地球同步轨道

磁感应强度E约为1.5X107To

5.1.4地磁昼夜波动

地磁昼夜波动规律为昼强夜弱，磁场强度变化范围约为5X108T-1X107T。

5.2月球磁场

月球表面磁场一般在1X10S,T~1X10*T以内。最大磁场强度约为1X107T（撞击盆地对峙

区域）。

5.3太阳磁场

太阳一般磁场：1X1O4T〜2X104T。

太阳黑子磁场变化范围：1X1O2T〜1X101T；变化周期约11ao

5.4部分太阳系行星际磁场

航天器在行星际飞行时的轨道磁场变化范围为0T〜lX10_7To

5.5火星磁场

火星表面磁场约为1X107丁〜1X106T（南半球）。

5.6木星磁场

木星表面磁场约为5X104T。

6航天器磁性评估和控制流程

航天器磁性评估和控制应贯彻于航天器研制的全过程。在器载磁传感器和磁敏感设备的研制和装

配过程中，避免使用带有强磁性的工具进行操作。在进行方案设计时，应同步确定航天器剩磁矩等控制

指标，剔除不必要考虑的磁敏感设备，避免使用永磁材料，控制使用软磁材料，使电流回路面积最小化。

航天器磁性设计包括分配指标、确定各种磁性控制的原则和措施等，并在设计过程中贯彻执行，同时应

制定验收试验的内容和方法并进行试验验证。磁性评估和控制流程见图lo

3

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图1航天器磁性评估和控制流程图

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7航天器磁性指标要求

7.1由航天器磁干扰力矩约束的磁矩指标要求

7.1.1一般要求磁干扰力矩L为航天器总干扰力矩的1/入，其中A为3〜10,入值由航天器姿控系统任

务要求确定。

7.1.2对于一般尺寸的航天器，可认为在其所占据的空间范围内的轨道磁场是均匀的，不需考虑磁场

梯度的影响，这时作用在航天器上的磁干扰力矩由式（1）确定，不同单位制中磁矩单位量纲转换系数参

见附录C。

L=MX13（1）

式中：

L——航天器的磁干扰力矩，单位为牛米（N・m）；

M——航天器的磁偶极矩，单位为安培平方米（A•m2）；

B——航天器的轨道磁感应强度，单位为特斯拉（T）。

注：式（1）中的M和B应当在同一坐标系中表示。

7.1.3一般需通过姿控系统计算机进行数学仿真，由航天器在轨情况下的磁干扰力矩计算航天器磁矩

指标要求。

7.2由航天器器载磁强计等磁敏感部件约束的干扰磁场指标要求

7.2.1对于探测空间磁场的航天器，其自身产生的磁场对器载磁强计的干扰控制程度取决于器载磁强

计传感器的量程、精度指标。

7.2.2对载有探测空间其他粒子的磁敏感部件航天器，航天器干扰磁场允许值由任务书中的技术指标

确定。

7.2.3航天器自身磁场应保持在一定水平以下，以防止磁传感器等磁敏感部件受航天器口身磁场干扰

而影响其功能实现。磁敏感部件安装位置是决定航天器剩磁场指标的另一个关键因素，式（2）说明了一

个偶极子矩为M的部件在距离R处产生的干扰磁场，不同单位制中磁场单位量纲转换系数参见附

录Co

Bi=200M/R：“（2）

式中：

Bt——航天器干扰磁场，单位为纳特（nT）；

R距离，单位为米（m）。

7.2.4当需要探测行星际空间弱磁场或高精度探测地磁场时，需对航天器剩磁场及稳定性提出严格

要求。

8航天器磁性设计评估

8.1磁性设计评估目的

航天器磁性设计评估目的是确定航天器主要磁源并初步估计航天器磁矩量值和磁敏感单机部位磁

场量值，从而得出磁性设计是否满足任务要求的初步结论。

8.2磁性设计评估主要计算方法

航天器磁性设计评估一般采用以下方法进行仿真计算:

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a）仅考虑偶极子矩产生的磁场时，采用偶极子作图法进行产品磁矩、磁场分布计算；

b）考虑偶极子矩及多极子矩产生的磁场时,采用球面作图或赤道作图分析方法进行产品磁矩、磁

场分布计算；

c）对于整器级复杂边界条件的磁矩和磁场的分布计算，按8.3.2的要求采用专业磁仿真软件，进

行综合仿真模拟计算。

8.3磁性设计评估项目

8.3.1部、组件磁性评估

在航天器产品研制的初始阶段，可根据类似的继承性航天器部组件产品的磁矩数据对新研制航天

器部组件产品的磁矩进行估值。如果没有类似的成熟航天器部组件产品的数据,则可根据在研航天器

部组件产品的相应参数，例如质量、材质与几何特性、T作方式、功耗、电缆布局、任务要求和装载部件情

况等进行综合估值，计算方法参见附录A。

8.3.2航天器磁性评估

可根据类似的继承性航天器产品的磁矩数据对同类新研航天器产品的磁矩进行估值。如果没

有类似的成熟航天器的数据，则应基于部件或系统的磁性数据，进行仿真估算。磁矩估值可参照附录D

中的试验统计数据。

航天器整器磁矩、磁场仿真流程见图2。

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图2航天器磁性仿真流程图

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磁仿真估算主要内容如下：

a）航天器不工作状态下的磁仿真:利用航天器不丁作状态下部件磁试验数据库进行部件磁仿真

建模，在航天器部件建模的基础上进行整星建模，然后进行航天器磁场和磁矩的仿真计算。在

此基础上，通过对整星磁模型中一些部件位置和方向的变化，进行组合排列优化计算，来设计

计算航天器的磁矩、磁场分布特性。

b）航天器主要电缆网的磁仿真:合理选取对磁场有较大贡献的主要电缆进行建模计算。在此基

础上，通过对航天器主要电缆网磁模型中一些电缆位置和走向的改变，进行优化计算，来设计

计算航天器的磁矩、磁场分布特性。

c）综合磁仿真:结合航天器不工作状态下的磁场仿真模型和航天器主要电缆网磁场仿真模型，对

航天器工作状态下的磁矩、磁场进行综合仿真。

8.4磁性设计评估报告

航天器产品完成磁性设计仿真后，对产品进行磁性评估，并编写航天器产品磁性设计评估报告，评

估报告一般包括以下内容：

a）评估目的；

b）评估项目；

c）评估计算方法；

d）评估数据分析，包括航天器磁矩仿真数据结果分析、航天器磁场仿真数据结果分析、磁敏感部

件区域磁场曲线图、二维及三维磁场云图绘制、仿真误差分析等；

e）评估结论。

9航天器磁性控制

9.1航天器磁性控制要求

9.1.1磁性控制要求分类

航天器磁性控制的程度取决于任务书的要求，磁性控制（磁净化）的要求通常表示为航天器允许的

最大磁偶极子矩及对航天器局部（磁敏感仪器安装部位）磁场强度量值或变化量的限制，对航天器的磁

性控制要求分类见表1。

表1航天器磁性控制要求分类

控制要求T类11类III类

制定磁性控制的止式规范:，审定制定材料和部件的选择规

电流冋路控制，避免软磁

设计材料和部件清单，按电流回路配范，避免软磁材料或电流

材料

对排列安装部件抵消杂散磁场回路

对可能成为偶极子源的

磁测试全部零部件磁性检查和磁测试点部件磁性检查和测试

部件进行磁测试

部件和整个航天器消磁，航天器部件消磁、航天器磁测试和

补偿选择性磁测试和磁补偿

磁测试和磁补偿磁补偿

注1：T类-探测行星际空间弱磁场类或高精度探测地磁场类航天器；II类一--利用磁强计确定姿态或测量

小扰动磁场信号类航天器；III类——探測木星类等较强磁场航天器。

注2：I类是严格磁设计和磁性控制；11、111类是一般磁设计和磁性控制。

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9.1.2各部件、设备的磁矩控制要求

根据航天器总的磁矩、磁场要求分別对航天器主要设备、部件提出磁矩指标要求,并针对各设备、部

件磁性特点、结构大小、使用磁性元器件和材料的情况等确定磁试验要求。

9.2航天器磁性控制措施

9.2.1材料和元器件选择

9.2.1.1在保证部件结构强度条件下，应选用钛、铜、铝、不锈钢（磁化系数小于10T等材料代替有磁

性不锈钢等作为航天器材料。航天器用的螺母、螺栓、螺钉、螺纹垫圈、垫片等紧固件，M6以上一般应

选用无磁不锈钢或其他非磁性材料（如lCrl8Ni9Ti和钛合金）制成，M6以上（含M6）不锈钢紧固件应

经退磁处理。对器载磁强计传感器附近结构件及紧固件应采用钛合金等无磁材料。

注：铝、金、银、钛、饶、镉、铜、锌、银镰合金等为航天器常用的非磁性金属O

在特性参数相同情况下应尽量选用低磁或无磁的元器件。

9.2.2结构布局和配置

元器件、部组件和设备结构布局

对于元器件、部组件和设备结构布局的要求如下：

a）元器件：由于设备及部件的特殊功能需要，其内部某些元器件仍要采用永磁材料或一些高导磁

率材料时，应将这些磁性元器件（如继电器等）在设备和部件中进行合理布局，采用相同规格的

偶数个元器件使其磁性相互抵消配置；

b）部组件:航天器部组件（如镉操电池组、配电器、飞轮等）在进行结构布局时应充分考虑磁设计

因素对其进行合理排列，使其组合磁场相互抵消；

c）大型部件或分系统：可采用局部和整体配对抵消的方法将大型部件或分系统（如太阳电池阵、

天线系统等）中若干相同模块合理配对排列，使它们产生的合成磁矩和磁场最小；

d）磁敏感部件:通过例行试验明确磁敏感部件的磁干扰强度阈值，合理安排磁敏感部件安装位置

使其尽可能远离星上的主要磁源；在结构可靠性允许条件下，可采用伸展机构模式使磁敏感部

件远离航天器本体，以减少或避免航天器磁源对其的影响。

布线

控制星上电缆的电流回路面积和限制回路数量并采用单点接地系统是控制航天器杂散磁矩的关

键,航天器所用电缆及布局应满足如下要求：

a）设备内的电流回路应尽可能采用绞合线，电流回路正线和回线应尽量靠拢°

b）在接地通路中应避免形成较大面积的电流回路。

c）太阳电池阵电缆走线布局要求如下：

1）单块电池板内采用S形走向，避免构成较大电流回路,并使相邻模块电流回路产生的磁矩

相互抵消；

2）使单翼板与板之间电流回路产生的磁矩相互抵消；

3）两翼对称阵板之间电流流向应对称布局。

d）蓄电池块布线要求如下：

1）电池输出端功率电缆应尽量敷设在正负极附近，使其产生磁矩的电流回路有效面积最小；

2）单排电池块敷设功率线电缆结构拉杆应尽量安装在正负极连线中间；

3）温控供电回路电缆应靠近捆扎并尽量敷设在正负极柱连线附近，使其产生合成磁矩的电

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流回路有效面积最小。

e）天线布线要求如下：

1）天线阵面的供电和控制电缆正负线均应采用双绞线，板内部件及模块应对称性布局；

2）散线连接的热控电缆正负线应置于同一束内，并采取对称性布局，使其产生的磁性相互

抵消；

3）使单翼板与板之间电流回路产生的磁矩相互抵消；

4）两翼对称阵板之间电流流向应对称布局。

9.2.3避免磁滞效应、涡流效应措施

磁滞效应仅在快速自旋航天器中带有细长的棒状软磁材料中显现,应尽量避免该种形状、材料

的产品使用。

涡流效应仅在快速自旋航天器上显现。通过在航天器结构中插入绝缘材料来阻断涡流通路,

避免在通过自旋轴的平面内形成大面积传导电路。航天器涡流效应和磁滞阻尼的计算参见附录E。

9.2.4充、退磁处理

充、退磁原理

为考核某些设备或系统磁敏感度，可将磁敏感部件置于充退磁线圈装置中，充磁是在直流磁场中进

行，产品所受的直流磁场量级由任务书规定的指标确定。

航天器及某些部件（如镉镰电池组等）含有较大的磁性（软磁性），可进行退磁处理以减少磁矩。退

磁前,应先对产品进行充磁，以更有效退磁并保证退磁后产品的磁稳定性。退磁是在抵消了地磁场的近

零磁场空间中进行，常用的方法是将充退磁线圈置于近零磁场空间中央，产品置于充退磁线圈内，先施

加直流磁场进行充磁，然后施加按指数衰减或直线衰减缓慢至零的交流磁场进行退磁。退磁前后产品

磁性的变化须进行测定，用以确定退磁效果。磁场和磁矩测量方法，充、退磁设备性能参数等参见附录

F,航天器典型元器件和部件经充退磁后的磁场数据参见附录G。

充、退磁试验

充、退磁试验按下列步骤进行：

a）将航天器置于试验中心区转台上，开启零磁线圈设备及充、退磁程控电源；

b）测量充磁前磁矩；

c）选择充磁模式、电流、时间等参数后进行充磁；

d）测量充磁后磁矩；

e）选择退磁模式、电流、频率、时间等参数后进行退磁；

f）测量退磁后磁矩。

9.2.5磁屏蔽

由于电性能等特殊要求，某些航天器部件应使用一些磁性元器件，造成该部件磁性严重超标、

或影响航天器所载磁强计磁场探测功能、或磁性敏感部件受磁干扰后不能正常工作等情况时，在总体结

构、重量允许的范围内可采用磁屏蔽方法控制其磁性。

采用高导磁率金属，如坡莫（铁镰）合金、铁磁材料、圆钢、2Crl3不锈钢等材料加丁的一层或几

层屏蔽罩壳对展开机构步进电机、电机驱动电源开关和射频环形器开关等产品进行磁屏蔽是减少磁矩、

降低磁场的有效措施。材料的磁导率愈高，罩壁愈厚,屏蔽效果就愈显著。

为了避免部分漏磁以达到更好的磁屏蔽效果，可采用多层屏蔽。

9

GB/T32307—2015

产品屏蔽前后需进行磁矩测量以确定有效性，必要时进行充退磁试验，磁场和磁矩测量方法参

见附录F。

9.2.6磁补偿

航天器及其某些部件在经过磁设计、退磁等方法处理后对其进行磁测试,如其磁性指标仍超过

要求,应进行磁补偿以降低磁性。磁补偿主要采用机械强度好、居里点温度高、高内禀矫顽力和高磁能

积的永磁材料（如：钏铁硼、彫钻系列）安装于航天器及其某些部件上，分别对航天器及其某些部件X、

Y、Z三个正交方向上的磁矩值进行抵消。

永磁补偿块的布局主要原则如下：

a）避免对磁场感应灵敏设备的干扰；

b）尽量选择在磁矩较大的设备附近；

c）对称性设置。

航天器磁矩补偿主要方法如下：

a）根据磁矩测试结果，选定标准磁补偿块量级，标明极性；

b）在航天器表面选定补偿位置；

c）用航天专业用结构胶将补偿块粘贴固定；

d）按-工艺文件要求用硅橡胶对磁补偿块外部进行加固。

航天器及其某些部件在磁补偿前后均应进行磁场和磁矩的测量，以测定其补偿效果。磁补偿

后磁矩测量方法参见附录F。

航天器产品经过磁性设计和研制后，应进行磁性测试评估和验收。若测试结果超出了任务书

规定要求，则按本章所述的相关措施对航天器产品进行磁矩和磁场控制直至满足设计指标，测试方法参

见附录F。

9.2.7后续磁性控制措施

航天器及其部件在环境试验和运输过程中可能会因设备及其他较强磁源产生的磁场而引起其

磁性变化。某些磁敏感部件在进行振动试验时，振动台的较强磁场（小振动台约5Gs、大振动台约

20Gs）会对其磁性产生一定的影响。若影响较大则应对这些部件进行磁性复测，超过磁性指标要求时

应采取退磁措施。航天器磁测试一般应选择在振动试验后进行。

航天器在经最后磁试验后直至发射前，都应避免暴露于较强磁场环境中。对于I类磁性控制

要求的航天器，在其转运等过程中，应在其周围装载磁场跟踪报警装置。如遭受强磁污染，应重新对航

天器磁性进行评估和控制。

10航天器磁性测试

10.1航天器磁矩测试

10.1.1磁矩测试目的

验证航天器磁设计、磁控制措施后，航天器的磁矩指标是否达到任务书规定要求。航天器