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空间引力波探测的探路者——“天琴一号”技术试验卫星

(日期:2019-12-20 )

2019年12月20日,伴随着长征四号乙运载火箭的升空,由航天科技集团五院航天东方红卫星有限企业抓总研制的我国“天琴”引力波探测计划的首颗技术验证卫星——天琴一号成功启航,开启了它的空间引力波探测技术的探索之旅。

 

空间探测引力波

 

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1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。通俗来讲,因为质量的存在,物体边界处会发生时空弯曲。引力波就是时空弯曲中的涟漪,当引力波通过的时候,物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少,引力波探测对于研究宇宙的起源、发展、演变,意义非常重大。

 

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“天琴计划”是由中山大学校长、中国科学院院士罗俊于2014年提出的、以中国为主导的国际空间引力波探测计划。拟在地球轨道上部署3颗卫星,组成臂长十几万公里的等边三角形编队,构成空间引力波探测天文台,通过激光干涉测距系统来精确测量处于卫星内部的检验质量之间距离的微小变化,实现探测引力波的目的。获取的观测数据将用于开展引力波、宇宙学、天文学等方面的基础科学研究。

 

地面上都已经探测到引力波了,为什么还要到空间去探测呢?

 

“地面上由于激光干涉测量臂长的限制,只能探测到高频引力波,要探测到更宽域的低频引力波,只能到空间上去,形成长达数万公里到数百万公里的干涉臂长。”“天琴一号”技术试验卫星总设计师张立华先容,空间引力波探测将提供一种全新的天文观测手段,成为人类观测宇宙、了解宇宙的新窗口。

 

空间引力波探测带来了极大的技术挑战,很多技术指标高于现有水平数个量级。因此,必须循序渐进、分步实施,通过技术试验卫星验证相关技术,待关键技术取得实质性突破以后,再去研制能够在空间探测到引力波的卫星系统。“天琴一号”技术试验卫星担负的正是这个使命。

 

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作为空间引力波探测的先行军,“天琴一号”技术试验卫星,目的是构建空间高精度惯性基准,验证相关关键技术,为空间引力波探测任务目标的实现奠定技术基础。而无拖曳控制,则是这颗卫星要重点攻克的难题。

 

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所谓无拖曳控制,就是依靠微推进系统在航天器上施加持续的推力,以此“抵消”航天器在轨道上受到的大气、太阳光压等非保守力,为卫星内部“自由悬浮”的检验质量提供一个近乎“纯引力”的飞行环境。未来,一旦实现了通过激光干涉测距技术精确检测两颗卫星检验质量之间微弱的距离变化,就具备探测到引力波的能力。

 

“如果说没有其他力的作用,两个在‘纯引力’作用下的检验质量之间的距离是不变的,在引力波的作用下,距离就会发生变化,但这个变化是极其微小的变化,所以对探测的精度要求非常高,激光干涉测距的精度要达到皮米级。这对航天器的很多性能都带来了挑战,例如极高的热稳定性、结构稳定性以及星间指向的稳定性等。”张立华说。

 

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为实现无拖曳控制技术在轨验证,“天琴一号”技术试验卫星配置了高精度的惯性传感器和微牛级连续可调的冷气微推进系统,作为无拖曳控制系统的敏感器和实行机构,同时通过高稳定的温度控制、精准的质心控制,为无拖曳控制提供良好的环境保障。卫星还配置了高精度激光干涉测量系统,进行一些初步的能力验证,为下一步双星技术试验系统的研制奠定基础。

 

“地面上的干扰因素比较多,尽管大家通过一些间接的测试加上一些仿真分析能够对相关指标进行综合评价,但只有到轨道环境中才能得到更好的验证,这也是发射天琴一号的初衷。”张立华说。

 

一种全新的合作模式

 

在“天琴一号”技术试验卫星项目中,我国首次采用国家、地方、高校、企业共同联合研发科学试验卫星的途径,有助于发挥政策引领、资金支撑、科学研究基础和工程研制经验等相结合的优势。

 

 “作为卫星研制方,大家要做的就是努力帮助科学家实现梦想。”张立华说。空间引力波探测是个世界性的难题,对航天器的性能提出了极高的要求,只有充分发挥各自优势,形成合力,才能取得实质性的突破。“高校提出科学目标、任务需求,并承担部分新的科学载荷的研制工作,大家发挥航天工业部门的技术基础和工程优势完成卫星的研制工作,两者结合是一种很好的模式。”张立华说。

 

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作为“天琴一号”技术试验卫星的用户单位,中山大学还负责了科学应用系统的建设和运行,在航天东方红卫星有限企业和各承制单位的支撑下,完成卫星的在轨试验任务协调与管控、数据接收、处理、存档、分发和数据质量评定。据“天琴一号”技术试验卫星总体主任设计师黎明先容,未来天琴计划的数据有望提供给全世界科学家共同研究。总之,在“天琴一号”技术试验卫星项目的牵引下,国家、地方、高校、企业密切协作,联合攻关,技术、科学、应用协同发展的新机制正在形成。

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