2月2日，我国首颗电磁监测试验卫星——“张衡一号”卫星顺利发射升空，拉开了我国自主开展空间等离子体环境和空间电磁场探测与研究的序幕。这颗卫星上搭载了多种空间电磁场、空间等离子体及高能粒子探测仪器，其中专门用于空间等离子体环境电场监测的“电场探测仪”是由位于兰州市的中国航天科技集团公司五院所（以下简称所）研制，是我国首次在卫星上应用的高精度电场探测仪器，同时也是“张衡一号”卫星的主要科学载荷之一。

我国成功发射首颗电磁监测试验卫星“张衡一号”　图片来源于新华社

“张衡一号”卫星到底有什么作用？

为什么开展空间等离子体环境和空间电磁场探测与研究？

　　所副所长王润福告诉记者，地球的周围有着一层薄薄的“壳”——空间等离子体环境，等离子体态的物质的性质在某种程度上就像是水一样，当受到地壳运动、地面人类活动等的影响时，其中的电磁波就会像水中的涟漪一样，在等离子体环境里传播。近些年，科学家们发现地震也会对空间等离子体环境的电磁场产生影响，甚至会在地震前就已经开始了影响。因此科学家们希望通过研究空间等离子体变化与地震活动的关联规律，来探索如何攻克“地震预报”这一千年难题。

载荷-电场探测仪

　　王润福说，我国决定开展“张衡一号”卫星的研制是源于年。当年我国发生了汶川大地震，地震造成了灾难性的后果，当时国家决定通过研究空间等离子体变化与地震活动的关联规律，希望在未来可以通过卫星和相关技术建立的大数据库预测地震活动，有效避免地震灾害带来的影响。“由于当时我们国家没有开展过这方面的研究，核心技术基本都是由国外掌握，因此我们希望能与欧洲国家合作，但是由于各种原因我们走上了自主研究之路。”他遗憾地说。

科研人员检验测试电场探测仪

　　虽然与外国的合作没有成功，但是要研制出这样一颗卫星的信念深深地印到了每一个中国航天人的心中，虽然项目尚未立项，但是不少人都为此学习和研究着，所的科研人员就在其中。年，所正式开展电场监测仪的研究，年国家正式立项“张衡一号”卫星，用我国古代探索地震的伟大科学家张衡的名字来命名，以表达用空间探测的手段预报地震的愿景。经过6年的刻苦攻关，所的科研人员终于成功研制出高精度空间电场探测仪，该仪器的分辨率比国外同类产品高40倍，达到国际先进水平，使我国不再受制于人。这个仪器是“张衡一号”上最重要的两个科学载荷之一。“卫星既然是电磁监测试验卫星，那么主要功能就是监测空间电场和磁场，我们的仪器就是探测电场的。”王润福告诉记者。

这个电场探测仪到底是什么样子？

到了太空中是怎么开展工作的？

　　所空间探测载荷工程中心副总王鷁告诉记者，电场探测仪采用了主动式双探针测量原理，由4个球型传感器、4套传感器电缆组件和一件信号处理单元构成。为了感知空间三维电场，探测仪通过伸杆向卫星本体外伸出四个传感器，每个传感器距离卫星4.5米的距离，正如四个灵敏的触角。每个触角都能准确地感知其所在周围等离子体环境电势，而两触角间电势差与距离的商就是两触角方向的电场，多组不共面方向的电场便能换算出空间三维电场。“比喻起来，就像是我们可以通过水中的四个木块的高低变化，来探测水波的立体变化情况一样。只不过探测等离子体中的电场信号的‘木块’要求很高，用来探测东西的是4个内部具有高灵敏测量电路的‘球’。这样的‘球’可以探测到非常微小的等离子体电势变化，就好比可以在喜马拉雅山那么高的浪头上分辨出一滴水珠一样。因此，我们这个电场探测仪的灵敏度是非常高的，与国外同类产品相比，灵敏度要高一个量级。就好比他们的尺子最大可以量出分米级别的长度，而我们则是厘米。”他骄傲地说。

电场探测仪产品（信号处理单元和传感器）

　　王鷁说，在卫星内部，有一个被称为“信号处理单元”的高灵敏电子学测量设备，就是探测仪的“大脑”。它把“触角”探测到的微小“波动”细分成十几个通道，进一步精细处理，变成数字量，分成频谱，再依靠卫星强大的通讯能力，把这些科学数据传到地面来，供科学家们研究地球周围等离子体空间的奥秘。为了把这些微小的“波动”传到卫星内部，“触角”们还需要4根纤细却“坚韧”的“神经”——我们称之为“电场探测仪复合电缆”。在卫星发射之前，它们把“触角”稳稳地拉住，而当卫星上天后，再通过先进的机构让触角笔直地伸展出去，这些“神经”就藏在“触角”内部，把“触角”感受到的每一丝电磁场波动忠实可靠地传递给“大脑”。

模型图（传感器）

　　“由于卫星每90分钟绕地球一圈，并会传输探测到的电场和磁场以及其他相关数据回来，这些数据在形成一个庞大的数据库之后，我国的科学家就可以根据这些数据来研究空间等离子体变化与地震活动的关联规律，虽然数据的分析和研究可能会经历一个比较长的时间，但是这对未来预测地震的发生有着很重要的作用。”王润福说。

　　电场测试仪虽然是国内首次研制，但是产品设计指标达到了国际先进水平，部分技术指标比国外同等设备的技术指标高10倍以上。而这一切是所科研人员通过多天夜以继日的刻苦攻关才做到的。

　　“我们研制电场测试仪可以说是从头开始，在这个过程中遇到了很多困难，其中不少都是因为外国的技术封锁造成的。”所空间探测载荷工程中心技术总监雷军刚直言不讳的告诉记者。“电场测试仪中有一个转动导电的装置，因为装置只有蚕豆大，国内没有办生产，当时我们只能向国外的一家公司购买，但是由于种种原因最后我们并没有能如愿购买到这样元件。无奈之下我们就只好转回国内自己研究制作这个原件，经过科研攻关以及与相关企业的合作，终于研制出了自主制造的元件，也就打破了国外的技术垄断。”

科研人员检验测试电场探测仪

　　电场探测仪复合电缆也是打破国际技术垄断的产品。“当时这个电缆也是被国外限制，买不到成品，我们只好自己研制，研制成功的电场探测仪复合电缆直径3毫米，里面有12根线，你别看电缆很细，但是最大能拉起20公斤重的东西。”所空间探测载荷工程中心设计师宗朝说，“我们在研制成功这个线缆之后，当时法国方面的一位专家刚好到我们所来，听到我们的产品指标之后，他有点不太相信，希望能看一看实物。因为法国研制的电缆直径也是3毫米，而中间只有10根线。但是当他看到实物之后连连大呼‘不可思议’，并且希望我们能送给他一米电缆，让他回去研究研究。当然我们没有拒绝他的要求。”他笑着告诉记者。

图由所提供

兰州日报全媒体记者　孙　理　文

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