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我国首颗空间引力波探测星“太极一号”上的兰州印记
添加日期:2019-11-06 08:08:39     点击次数:2982
[摘要] 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!“太极计划”共同首席科学家、中科院院士胡文瑞曾披露,我

一个世纪前,爱因斯坦基于广义相对论预测引力波的存在。2015年,由两个黑洞合并产生的引力波首次在地面上被直接观测到。如果我们把空间和时间与水面相比较,引力波是重力在空间和时间中留下的波纹。他们为人类打开了一扇不同于电磁波的新窗口,探索宇宙的奥秘。在中华人民共和国70岁生日前夕,中国第一颗空间引力波探测技术实验卫星“太极1号”成功完成了在轨测试任务的第一阶段。中国的空间引力波探测已经成为一个新的里程碑。这颗“明星”再次吸引了全世界的注意力。“重力参考传感器”可以测量“蚂蚁推卫星产生的加速度”,是未来探测空间引力波的核心设备,主要由中国航天科技股份有限公司兰州第五研究院5100空间环境探测载荷中心(以下简称510)与中国科学院长春光学精密机械研究所合作开发。这也是研究了20年的510种静态悬挂加速度测量技术的首次在轨应用。在“不可能”的极端挑战中,510代人的坚持孕育了“中国第一次”!兰州日报全媒体记者言和/温510照片

“太极”太急510受邀参与研究

在《易经》中,“太极”是指天地之间最原始的状态。“太极计划”联合首席科学家、中国科学院院士胡文瑞透露,中国空间引力波探测“太极计划”由三颗以太阳为中心的卫星组成,每颗卫星间隔300万公里,形成规则的三角形编队,利用高精度星间激光干涉测距技术和非拖曳式空间技术实现。空间引力波探测涉及的核心技术,如高精度超稳定激光干涉仪、重力参考传感器、超稳定超静态无拖曳控制、微型牛推进器等。都是在“太极一号”上进行的在轨实验所证实的。

“我们有句内部谚语,“太极”太紧迫了!开始接受任务时,我觉得不可能按时完成。与已经研究了七年的空间电场探测器相比,这个为期一年的项目让人们感觉更深刻,内心也更有感觉。”45岁的雷俊刚是510个空间环境探测载荷中心的技术负责人,他在太空微重力、重力场和“神舟”号和“张衡1号”等卫星(船)上的空间电场测量等前沿科研岗位上努力奋斗了20多年。他是510个“太极-1”项目惯性传感器的技术总监。

2018年7月8日,胡文瑞院士专程前往510家研究所,并邀请510家研究所与中国科学院长春光学机械工程研究所合作开发微重力技术实验卫星(太极1号之前的名称)重力参考传感器(又称“惯性传感器”),这是中国科学院战略试点科技项目(二期)的第一颗星。它不仅是“太极第一”,也是“太极”下一阶段关键技术双星验证之星和未来2030年“太极”三星计划不可或缺的核心负载。目前,华中科技大学参与了中国静电悬浮加速度测量技术长期研究机构中的另一个项目——秦天项目,其中510个也是中国最好的团队,参与了中国科学院的太极项目

测量了蚂蚁推动卫星的加速度。

引力波信号非常微弱。为了实现空间引力波探测,有必要突破目前人类精密测控技术的局限。其关键技术指标从未在现场实现和测量,技术难度前所未有。

“太极1号”第一期在轨测试和数据分析结果显示,510家研究所开发的重力参考传感器的测量精度约为地球重力加速度的100亿倍,相当于蚂蚁推动“太极1号”产生的加速度。“这颗卫星于8月31日发射,我们的惯性传感器在9月2日早上8: 04到8: 12之间首次在轨道上开启!”雷军刚刚准确地记住了这一重要时刻。从9月12日到9月20日,他、王作雷和闵建继续测试传感器的在轨性能。结果,“太极一号”卫星的全体和子系统中的所有科学家都欢欣鼓舞。

“无论是来自太阳的最微弱的光压、太空中极稀薄气体的阻力,还是来自地球的反向辐射压力,都可以通过惯性传感器技术进行监测。”雷俊刚说,惯性传感器应用了510项高精度静电悬浮加速度测量技术,并有20年的前期研究基础。“依靠静电力,一个长4厘米、宽4厘米、高1厘米的方形钛合金测试块悬挂在惯性传感器敏感结构的重心上。它也位于太极1的中心。在轨道测试中,其质心与卫星质心的重合度优于0.1毫米!”雷军只是打了个比方:“就像在过山车上拿着一碗水”。这个过程似乎很简单,而且极难实现。这就要求重力参考传感器精确测量验证质量的加速度和相对位移,然后通过精确的静电反馈控制技术使其在中心位置保持“稳定”,从而实现卫星质心、压力中心和自重中心的“三心一体化”。

重力参考传感器在轨性能测试中“达标”,在为“太极1号”微推力器提供精确校准和进行无阻力控制测试方面发挥了关键作用。太极1号实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量,成功进行了我国第一次在轨无阻力控制技术试验,并在世界上首次实现了微牛射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证。其中,激光干涉仪的位移测量精度约为100皮米(约一个原子直径),微推进器的推力分辨率约为亚微米牛(相当于芝麻重量的1/10000)。

几十微米空间内的稳定悬浮

9月21日,在中国科学院宣布“太极一号”第一阶段在轨测试结果后的第二天,“太极计划”首席科学家胡文瑞院士前往510家机构向他致谢。510重力参考传感器开发团队中的许多人喊道,“虽然这个过程很困难,但我们没有辜负科学家们的高度信任!”

“谢谢你,太极一号,这是我们20年来第一次在轨应用研究成果!我们很幸运,三代人的努力已经在我们这一代人身上实现,并证明我们能够做到!”一个人不能轻易流泪。510技术设计学院的经理毛俊成说,当他到达情感的地方时,他已经哽咽了。

早在1986年,510年前的大湾就提议与德国人合作研究微重力,并以前瞻性的方式确定研究方向。自2000年以来,已有510人勇敢地登上顶峰,并对最精确的空间测量技术之一——高精度静电悬浮加速度测量技术——发起了冲击。当负责重力参考传感器系统的设计师王作雷的导师薛大同老师能够测量到地球万分之一到百万分之一的重力加速度时。“2008年,实现了克服1g重力的六自由度地面稳定悬挂。当时我们的技术在中国是第一个,测量精度是地球重力加速度的一亿倍。”负责开发重力参考传感器静电悬浮加速度计控制系统的陈光峰博士解释说,“在静电悬浮加速度计升空之前,必须先进行地面悬浮验证,关键是‘漂浮’在先。”“敏感结构中的检测质量与上、下、左、右之间的间隙仅为20微米,允许它稳定地漂浮在几十微米的空间中。这是陈广丰的本事!”毛俊成说。

“直到今年2月的春节,也就是8月份发射的半年前,质量仍然不能浮动。”毛俊成说,当时人们处于压力之下。该中心发现了各种各样的“大丹尼尔”和几代研究加速计的科学家,他们一起研究这个问题中国科学院的专家和领导人不能坐以待毙,他们正准备飞往局域网“监督这场战争”。前天晚上,整个团队还在一遍又一遍地检查数据。当时,第五宇航科学院钱学森实验室的凡达博士应邀一起帮助寻找问题。最后,对高压耦合干扰和控制算法缺陷等问题进行了及时研究。“专家和领导刚下飞机,我们这边就“搞定”了。“批评会议”变成了“庆祝会议”,每个人都度过了美好的一年。毛俊成说。

在“沙尘暴”中寻找微弱信号

重力参考传感器要求非常高的精度,因此也要求非常高的加工精度。检测质量的加工精度为1微米,这使得中国最好的光学和机械精密加工单位中最好的精密磨削工人感到害怕。虽然与测试质量相连金线只有发丝厚度的1/3,但它肩负着传输信号的使命,510人生动地称之为“线上生活”的金线。

重力参考传感器的质量位移采用电容位移检测技术,检测精度达到十皮米的数量级,约为原子直径的十分之一。“这种强度的信号已经非常微弱,但是电路信号就像漫天的风和沙以及浩瀚的大海一样嘈杂。很难从中找到如此微弱的信号。”李云鹏说。

“从首席科学家到总工程师都急了!院士和专家问:这个指数不能在地面上测量。谁知道最后一天之后呢?”院士和专家第二次感到担忧。如果这个关键指标不能在地面上测量怎么办?

为此,团队做了详细的测试和评估工作,列出了每个影响因素,然后逐一评估原因、影响和其他因素。王作雷的地面测试和评估分析报告长达几十页,有效地预测了在轨指标。"昨天的指数和我们的评估指数完全一样."在轨性能测试结果出来的那一刻,已经研究静电悬浮加速度测量技术17年的王作雷非常自豪。

结尾

“太极一号”第一阶段在轨测试成功后,雷军刚刚写了一首抒情诗《余庆·安微星》:“东风耀珠,行船快,天地宽,微星静”。箭头日复一日、月复一月地反映出第一颗心。南北开始移动,东西向原点移动,时间在一年内凝结。如果时间感觉像是一种消遣,那么微妙的花朵会吸引星星去寻找太极。如果你晚上不张开眉毛唱歌、敲门、深思和提问,你将不会意识到它是清晰的,你将会看到它是清晰的。”

雷俊刚表示,静电悬浮加速度测量技术将是未来空间引力波探测中“测量500万千米皮米量级变化”的关键设备,也将作为超高精度惯性导航、全球气候和重力环境研究等重大前沿空间科学研究和工程应用的关键技术。510重力参考传感器的成功开发标志着中国在这些尖端航空航天领域竞争的开始。

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