中国升空的这颗卫星背后 酝酿着一个大计划

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资料图:引力波(Gravitational wave)动态示意图。

12月20日11时22分,随着太原卫星发射中心的长征四号乙运载火箭成功发射,包括赠埃塞俄比亚微小卫星以及“天琴一号”技术试验卫星等8颗卫星也同步升空。发射后891秒“天琴一号”入轨,电源开机正常。

(新华社广州9月28日电)在近地轨道上发射三颗卫星,构成等边三角形卫星编队,通过惯性传感器、激光干涉测距等系列核心技术,“感知”来自宇宙的引力波信号,探索宇宙的秘密。三颗星,形似太空里架起的一把竖琴,可聆听宇宙深处引力波的“声音”,这是我国科学家提出的空间引力波探测“天琴计划”。

12月20日11时22分,我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭成功发射中巴地球资源卫星04A星,此次任务同时搭载了中国应对气候变化“南南合作”项目——赠埃塞俄比亚微小卫星以及“天琴一号”技术试验卫星等8颗卫星。新华社发

27日,在广州召开的香山科学会议第S45次学术讨论会传来了关于“天琴计划”的最新消息。该计划牵头人、中科院院士罗俊向新华社记者透露,当前“天琴计划”多项关键技术已获得重大进展,其中包括惯性传感、激光干涉测量、无拖曳控制、卫星平台等多项重大技术,接下来这些技术将陆续进入在轨验证阶段。

这是由华中科技大学和中山大学共同研制的国内首颗由国家立项面向未来引力波空间探测技术试验卫星,其成功发射意味着我国科研人员酝酿近20年,且于5年前正式推出的天琴空间引力波探测计划,正式进入“太空试验”阶段。

题为“天琴计划与国际合作”的香山科学会议第S45次学术研讨会吸引了来自美国、德国、俄罗斯、意大利、澳大利亚以及国内的中山大学、华中科技大学、中国科学院系统的多个研究所、航天东方红卫星有限公司等数十名专家,他们对“天琴计划”表现出极大的兴趣和关注。来自意大利都灵理工大学的恩里科·卡努托教授是欧洲GOCE计划的核心专家,他在会议上介绍了LISA关于无拖曳控制技术的进展,对“天琴计划”在无拖曳控制的技术需求进行了初步的分析,并对“天琴计划”表现出极大的兴趣。

天琴“0123计划”已进入“1”

据介绍,无拖曳控制技术是空间引力波探测计划实现的关键技术之一,简而言之就是要让卫星中搭载的检验质量“摆脱”外部环境的各种干扰,让检验质量自由而无阻地漂移。华中科技大学物理学院教授周泽兵介绍,“天琴”目前的无拖曳控制技术在实验室已经取得突破,正在按照研究计划向前推进。

围绕中国空间引力波探测,罗俊院士早在1994年就在华中科技大学引力中心的山洞实验室开始进行基础研究布局。

澳门新葡亰2885,来自德国马克思普朗克引力物理研究所-汉诺威的格哈德·海因泽尔是研究激光干涉测量的专家,也是LISA计划的核心成员。他所参与美德合作的GRACE-FO项目已经于今年北京时间5月23日随着Space
X的猎鹰9号火箭发射升空,该项目主要是利用激光干涉测距的技术测量地球重力场。而这项技术也是空间引力波探测计划的关键技术之一。

“天琴计划”是由罗俊院士2014年3月在华中科技大学的一次国际会议上提出的。该计划具体为2035年前后在距离地球约10万公里的轨道上,部署三颗全同卫星构成边长约为17万公里的等边三角形编队,在太空中建成一个引力波天文台,探测引力波。

据了解,“天琴计划”和欧洲LISA计划是目前世界上少数基于成熟设计和方案的空间引力波探测计划,两个计划都在争分夺秒向前推动。两个计划的主要区别在于其设计轨道一个绕地球、一个绕太阳,以及探测波段稍有不同。“如果从探测波段来讲,‘天琴计划’的探测波段比LISA大约高10倍,两组引力波探测器可形成互补。”中山大学天琴中心教授叶贤基说。

2015年7月在中山大学发起的一个科研计划,中山大学和华中科技大学正式组建研究小组开展我国空间引力波探测计划任务的预研,制定我国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,提出天琴空间引力波探测计划。

2016年2月21日,中山大学正式发布“天琴计划”实施路线图“0123计划”,该计划将用15年到20年发射卫星上天。

“天琴计划”首席科学家罗俊院士详细介绍了“0123计划”,其中“1”包括发射单颗高精度空间惯性基准技术试验卫星和单颗天琴探路者试验卫星,“天琴一号”卫星正是这个“单颗高精度空间惯性基准技术试验卫星”。

据介绍,这套“0123计划”技术路线图,采取“沿途下蛋”分步实施,利用可靠、经济、科学的手段展开技术攻关和在轨验证,稳步推动我国空间引力波探测关键技术走向成熟,最终开展空间引力波探测。

据了解,“天琴计划”得到了国内多部门的立项支持,2015年教育部率先支持“天琴计划”的实施,2016年国家航天局和基金委同时立项支持月球中继星激光测距项目,2017年国家航天局发布《关于“十三五”民用航天科研的指导意见》,其中明确提出推动引力波探测试验验证卫星工程项目立项,从此开始对天琴“0123计划”系统性、持续性支持。

2018年10月,国家航天局批复立项“高精度空间惯性基准技术试验卫星工程项目”,因该项目对应天琴“0123计划”中的步骤“1”,故命名“天琴一号”。

“天琴一号”卫星总设计师张立华介绍,“天琴一号”是我国第一颗由国家立项、高校牵头的技术试验卫星,也是国家正式立项的第一颗空间引力波探测技术试验卫星。

三大科学目标

四大“首创”意义

空间引力波探测技术体系中,空间惯性基准技术是关键技术之一。

罗俊说,这项技术的核心是在每颗卫星内部放置完全悬浮起来的质量块,然后利用卫星屏蔽外界环境对质量块干扰,利用无拖曳技术并控制卫星使之跟随质量块运动,这个不受外力干扰的质量块,称为“惯性基准”。因为“惯性基准”只在引力场的作用下运动,所以能真实地反映引力场的波动,可以说,“惯性基准”就是引力波“探头”。

“‘天琴一号’是一颗高精度空间惯性基准技术试验卫星。”中山大学天琴中心副主任叶贤基教授说,其身负三大科学任务:

第一个是对空间惯性传感器进行在轨验证,该传感器用于精确测量卫星与质量块之间的相对运动。

第二个是对微牛级可变推力的微推力器进行在轨验证,该技术用于精确控制卫星跟随惯性基准运动。

第三个是对无拖曳控制技术进行在轨验证,这是根据惯性传感器的测量结果,通过适当的控制算法向微推力器输出控制指令,使卫星精确跟随惯性基准运动。

叶贤基说,“天琴一号”也将对高精度激光干涉测量技术、高精度质心控制技术、高稳定性温度控制技术等引力波空间探测共性关键技术开展在轨验证。

天琴计划珠海计划测距台站

中国科学院院士叶朝辉表示,“天琴计划”从酝酿、筹备到技术攻关取得阶段性成果,“天琴一号”在四个方面具有国内“首创”意义:

第一,作为国内首颗国家立项的引力波空间探测技术试验卫星,不仅适用于空间引力波探测计划,还将满足其他基础科学空间实验对航天技术的发展需求。

第二,是国内首颗无拖曳控制技术试验卫星。无拖曳控制技术是最前沿的航天技术。此次在轨成功实现“超静超稳”无拖曳控制卫星,将为开展下一代卫星重力测量、深空探测、基础科学实验等提供重大技术储备。

第三,是国内首次在空间建立最高精度的空间惯性基准,将完成惯性测量、无拖曳控制、微牛级推进、激光干涉测量、高稳定温度和质心控制共六项关键技术在轨验证,六项关键技术协同工作,实现高精度空间惯性基准的构建。

第四,“天琴一号”卫星的单项技术指标要求高,部分技术比国内现有水平高2个数量级以上。

硬核技术再创“新高”

“无人之域”任重道远

21世纪初,罗俊带领团队开始布局空间引力波探测的两大核心技术——空间惯性传感和星间激光干涉测量技术的研究。经过四个“五年计划”的积累,目前拥有自主知识产权的空间静电悬浮加速度计已经经过了多次在轨试验和空间应用。

但是,罗俊表示,我国现有的技术水平距离空间引力波探测实际需要还有明显差距,尤其在空间惯性传感和星间激光干涉测量两大核心技术上还存在若干量级上的差距。

中山大学天琴中心杨山清教授和华中科技大学引力中心涂良成教授与航天东方红卫星有限公司的工作人员正在进行“天琴一号”卫星发射前的最后测试检查工作。

“这也是‘天琴一号’要突破的点。”天琴中心常务副主任涂良成教授说,在上述两项技术上“天琴一号”都有“突破”。首先是“新”,“天琴一号”所针对的无拖曳控制、微牛级可变推力微推力器、高精度激光干涉测量等方面的技术,在国内都刚刚起步,急需在轨试验验证。

其次是“高”,“天琴一号”是对我国空间引力波探测核心技术的一次最高水平的在轨试验验证,比如惯性传感器噪声水平将比现有指标提高100倍以上、激光干涉仪测量噪声将比现有指标提高10倍以上。

叶贤基介绍,新技术和高标准的背后是研发过程克服了诸多难点,以一体化星载激光干涉仪为例,“天琴一号”中激光干涉仪光学平台是采用特殊技术制作的超稳光学平台,这种特殊粘结工艺可以使得光学镜片与平台的界面粘结强度非常接近材料本身的最大拉伸强度,形成“准一体化”的抗震结构。再加上材料本身非常小的热膨胀系数,从而使得整个干涉仪光学平台对温度变化和外界振动等环境变化的抗干扰能力极强。

空间引力波探测技术迈出实质性、关键性的一大步,但这项工程巨大,技术前沿且复杂,是科学界的“无人之域”,国际竞争日渐白热化。上海交通大学教授王斌表示,空间引力波探测计划是世界级大型科研计划,欧美国家早已意识到中国的潜在竞争力,目前欧洲的LISA计划再度加速推进。

罗俊表示,“天琴一号”虽然意义重大,但并不代表我国空间引力波探测技术已经成熟,实际上我们距离实现空间引力波探测的最终目标还任重道远,必须本着求真务实的科学态度和踏实严谨的科学作风,加快推进关键技术攻关和在轨验证,加速推进人才队伍建设和国内外科技合作。

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