Warum befindet sich auf dem Magnetometer von Mariner 3 eine große Holzkugel?

Ich vermute, die Holzkugel ist eine dreidimensionale Helmholtz-Spule . Eine Helmholtz-Spule ist ein Paar kreisförmiger Spulen, der Radius der Spulen sollte gleich ihrem Abstand sein. Für jede der drei Dimensionen gibt es ein Spulenpaar. Jede Spule sollte die gleiche Anzahl von Windungen haben.

Es sind kreisförmige Rillen sichtbar, die mit Silikon oder ähnlichem gefüllt sind. Die Rillen enthalten die Helmholtz-Spulen, ein Paar für jede Richtung. Ein durch die Spulen fließender elektrischer Strom erzeugt das Magnetfeld. Das Helmholtz-Spulenpaar minimiert die Ungleichförmigkeit des Feldes in der Mitte der Spulen. Es wird als Magnetfeldsimulator für das Magnetometer verwendet, um Tests auf der Erde durchzuführen.

Die beiden horizontalen Spulen (markiert mit einer grünen Freihandlinie) erzeugen die vertikale Komponente des Magnetfelds. Die beiden mit Cyan markierten Spulen stehen für eine horizontale Magnetfeldkomponente. Die anderen Spulen der horizontalen Magnetfeldkomponente sind mit Magenta gekennzeichnet, nur eine Spule ist sichtbar. Jedes Spulenpaar steht senkrecht zu den beiden anderen Spulenpaaren.

* Ich habe Python mit Matplotlib für ein Diagramm der Spulenkonfiguration verwendet. Alle Spulenradien und alle Paarabstände sind gleich. Der grüne Pfeil zeigt die Richtung des von den grünen Spulen verursachten Magnetfeldes, gleiches gilt für die Farben Magenta und Cyan.

Die Kugel ist in allen drei Dimensionen symmetrisch. Die obere Reihe von Plots sind die Ansichten vertikal zu jedem Spulenpaar. Verdeckte Linien werden nicht entfernt.*

Diese Konfiguration von Helmholtz-Spulen kann verwendet werden, um das lokale Erdmagnetfeld zu kompensieren und ein Magnetfeld variabler Richtung und Intensität für einen gründlichen Test des Magnetometers zu erzeugen, um Empfindlichkeit und Linearität in allen drei Dimensionen zu messen.

Die Kugel ist aus Holz gefertigt, um Metall und unerwünschte Magnetfelder zu vermeiden. Holz leitet keine elektrischen Ströme, Wirbelströme sind nicht möglich. Es wird nur für Vorflugtests verwendet, das Gewicht ist kein Problem. Wenn sie dafür Plexiglas oder Fiberglas verwenden würden, bräuchten sie ein Modell aus Holz, um das Fiberglas zu formen. Es war einfacher, die Holzkugel selbst zu verwenden, da nur ein Stück benötigt wurde. Sie verwendeten kein Aluminium, weil jedes Metall vermieden werden sollte. Die Herstellung der Kugel war mit Holz einfacher als mit Aluminium und die bessere Stabilität von Aluminium wurde dort nicht benötigt. Die Verwendung von dickem und schwerem Holz sorgte für die nötige Stabilität der Kugel, um Verformungen während der Tests und auch während der Herstellung der Kugel zu vermeiden.

Der Python-Code zum Zeichnen der dreiachsigen Helmholtz-Spulen. Führen Sie den Code aus, um die Spulenanordnung manuell zu drehen, und schauen Sie von allen Seiten darauf.

# This import registers the 3D projection, but is otherwise unused.
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D  # noqa: F401 unused import

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

plt.rcParams['legend.fontsize'] = 8

fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection='3d', proj_type = 'ortho')

# Prepare arrays u, v, w1, w2
r = 10.0
d = 0.5 * r
theta = np.linspace(-np.pi, np.pi, 100)
u, v = [r * f(theta) for f in (np.sin, np.cos)]
w1, w2 = np.full_like(theta, d), np.full_like(theta, -d)

ax.plot(u, v, w1, color = 'green')   # coil in XY plane
ax.plot(u, v, w2, color = 'green')

ax.plot(w1, u, v, color = 'cyan')    # coil in YZ plane
ax.plot(w2, u, v, color = 'cyan')

ax.plot(v, w1, u, color = 'magenta') # coil in XZ plane
ax.plot(v, w2, u, color = 'magenta')

ax.set_xlabel('X'), ax.set_ylabel('Y'), ax.set_zlabel('Z')

plt.show()

Um Uwes Antwort zu ergänzen –

• Aluminium ist ein schlechtes Material zum Wickeln von Spulen (wie Leiter im Allgemeinen), da jede Änderung des Stroms für eine Weile durch Wirbelströme „beschattet“ wird . Dies kann bis zu einem gewissen Grad abgemildert werden, indem nur kleine Abschnitte laminiert werden, aber dies ist bei Aluminium nicht so einfach wie bei Holz. Und selbst bei konstanten Magnetfeldern ist Aluminium nicht so toll: Es ist eigentlich nicht ganz unmagnetisch, sondern weist Paramagnetismus auf . Ok, aber kein Material ist – die absolute Anfälligkeit von Al scheint tatsächlich ungefähr gleich zu sein wie bei gewöhnlichen organischen Substanzen, etwa 10 ^{-8 m³} ⁄ _kg .
• Fiberglas könnte verwendet werden, war aber wahrscheinlich nicht so billig herzustellen wie Holz. Besonders die Rillen für die Helmholtz-Drähte ließen sich vermutlich viel einfacher in Holz fräsen als in die feuerfesten Glasfasern.
• Homogene Kunststoffe wie Plexiglas können sehr billig in Massenproduktion hergestellt werden , aber dies erfordert Formen usw. Nicht praktisch für etwas, das Sie nur einmal brauchen! Heute sähe das dank 3D-Druckern etwas anders aus.

Ich bin gerade in historischem Filmmaterial über die Holzkugel (entweder Mariner 3 oder 4) gerannt!

In dem JLP-Video 1965: Discovery at Mars gibt es ein hervorragendes Video The Changing Face of Mars mit einführenden Bemerkungen seines Produzenten/Regisseurs/Autors Blaine Baggett, Direktor, Office of Communication and Education, JPL, über die Missionen Mariner 3 und 4 Mars eingebettet in seinen Von-Karman-Vortrag.

Sie können es sehen, nachdem 00:38:40:

Ich bin gerade in einem Video über die MAVEN-Magnetometer auf ein weiteres Beispiel für ein Triplett von Helmholtz-Spulen gestoßen.

Die NASA.gov-Missionsseite Measuring Mars: The MAVEN Magnetometer verlinkt auf das YouTube-Video MAVEN Magnetometer . Darin sehen Sie die gleiche Geometrie wie in den anderen Antworten hier, drei Paare von Helmholtz-Spulen. Aber dieses Mal sind sie groß genug, um einen großen Raum zu bilden, in den man einen großen Teil eines Raumfahrzeugs hineinbringen und auf einen Tisch stellen könnte, anstatt der Holzkugel, die nur groß genug für ein Magnetometergehäuse wäre, das darum herum aufgehängt werden müsste.

Beachten Sie auch, dass im ersten Bild noch eine Holzspule für ein einzelnes Spulenpaar vorhanden ist.

Sie können auch sehen, dass jedes der drei Paare ein kleineres "Satellitenpaar" in viel größeren Entfernungen hat; es sind insgesamt zwölf Spulen dargestellt. Ich habe dazu eine separate Frage gestellt: Wie werden diese „zusätzlichen“ oder „Satelliten“-Helmholtz-Spulen verwendet? .

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