在太空谛听“时空涟漪”——我国首颗空间引力波探测星“太极一号”上的兰州印记

在太空谛听“时空涟漪”

——我国首颗空间引力波探测星“太极一号”上的兰州印记

　　一个世纪前，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在；而双黑洞并合产生的引力波2015年才首次在地面被直接观测到。倘以水面比喻时空，引力波就是引力在时空间留下的涟漪，它为人类探索宇宙奥秘打开了有别于电磁波的全新窗口。中华人民共和国70华诞前夕，我国首颗空间引力波探测技术实验卫星“太极一号”顺利完成第一阶段在轨测试任务，我国空间引力波探测翻开里程碑式的崭新一页！这颗“星”再度吸引了世界的目光，而它身上能测定“一只蚂蚁推卫星产生的加速度”、未来实现空间引力波探测的核心设备——“引力参考传感器”，是由兰州的中国航天科技集团有限公司五院五一〇所（以下简称510所）空间环境探测载荷中心为主，与中国科学院长春光学与精密机械研究所合作研制，也是510所已有20年预研基础的静电悬浮加速度测量技术的首次在轨应用。510所三代人的坚守，在向“不可能”的极致挑战中，诞生了“中国首次”！　兰州日报社全媒体记者何燕/文 510所供图

　　“太极”太急 510所受邀参研

　　《易经》中，“太极”意味着天地间最原始的状态。“太极计划”共同首席科学家、中科院院士胡文瑞曾披露，我国空间引力波探测“太极计划”由3颗以太阳为中心的卫星组成，呈正三角形编队，每颗卫星间距300万公里，利用高精度星间激光干涉测距技术和无拖曳航天技术等实现。空间引力波探测所涉及的核心技术，比如高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、超稳超静无拖曳控制、微牛级推进器等，都在“太极一号”上展开可行性和实现途径在轨实验验证。

　　“我们内部有个说法，‘太极’就是太急！接受任务初期感觉根本不可能如期完成。相比研究了七年的空间电场探测仪，这个限期一年的项目让人感情更深，内心有更多感触！”45岁的510所空间环境探测载荷中心技术总监雷军刚，已在“神舟”“张衡一号”等星（船）空间微重力、重力场和空间电场测量等一线科研岗位上拼搏20余寒暑，是510所“太极一号”项目惯性传感器技术负责人。

　　2018年7月8日，胡文瑞院士专程来到510所，邀请510所与中科院长春光机所合作研制中科院空间科学（二期）战略性先导科技专项首发星——微重力技术实验卫星（“太极一号”命名前的名称）的引力参考传感器（又称“惯性传感器”）。它不只是“太极一号”，也是下一阶段“太极”关键技术双星验证星和未来2030年“太极”三星计划不可或缺的核心载荷。“目前国内长期研究静电悬浮加速度测量技术的单位中，华中科技大学参与了另外一个计划——‘天琴计划’，而510所也是国内最优秀的团队之一，参与了中国科学院的‘太极计划’。”

　　测得出蚂蚁推卫星的加速度

　　引力波信号极其微弱，实现空间引力波探测，需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限，其关键技术指标从未在地面实现和测量过，技术难度前所未有。

　　“太极一号”第一阶段在轨测试和数据分析结果表明，510所主研的引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级，相当于一只蚂蚁推“太极一号”产生的加速度。“卫星8月31日发射，9月2日晨8时4分至8时12分，我们的惯性传感器第一次在轨开机！”雷军刚准确记忆了这一重要时刻，他与王佐磊、敏健三人自9月12日至9月20日持续对传感器进行在轨性能测试，结果令“太极一号”卫星总、分系统所有科学家欢欣鼓舞。

　　“不管是太阳照射的最微弱光压、太空中极稀薄气体的阻力，还是来自地球的反向辐照压力，都能用惯性传感器的技术监测到。”雷军刚说，惯性传感器应用了510所具有20年预研基础的高精度静电悬浮加速度测量技术。“依靠静电力，让一块长宽各4厘米、高1厘米的方形钛合金检验质量块悬浮于惯性传感器敏感结构的重心，它同时也位于‘太极一号’的正中心。在轨测试中，它的质心与卫星质量重心的重合度优于0.1毫米！”雷军刚打了个比方，“好比在过山车上还要端稳一碗水”，这个过程看似简单，实现极难。这需要引力参考传感器精确测出检验质量块的加速度和相对位移，再通过精准的静电反馈控制技术让它继续“稳定”在中心位置，实现卫星质心、压心、自引力中心的“三心合一”。

　　引力参考传感器在轨性能测试“达标”，为“太极一号”的微推力器提供准确标定、开展无拖曳控制试验等发挥了关键作用。“太极一号”实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量，成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验，并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证。其中，激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级（约为一个原子直径），微推进器推力分辨率达到亚微牛量级（相当于一粒芝麻重量的万分之一）。

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