精细调节万分之一颗芝麻重量大小的力!我国首颗引力波卫星“上海

2019-11-01 20:20:38

简介 : 今年8月31日,我国首颗引力波探测技术实验卫星“太极一号”发射升空,并在9月底宣布第一阶段在轨测试任务圆满完成。这颗标志着我国空间引力波探测迈出第一步的“太极一号”究竟有哪些非同寻常之处?在地球上,受

宝浦、寿彝、靖吉。

只有当你在太空中看到它的时候,你才会觉得它和太极的名字非常匹配。

只有这样,它才能探测到黑洞合并时宇宙开始时出现的时空波动——引力波。

今年8月31日,中国第一颗引力波探测技术实验卫星太极1号(Tai Chi 1)发射升空,并于9月底宣布在轨测试任务第一阶段已经成功完成。在接下来的六个月里,它将验证轨道上的各种创新技术,为其后续的“姐妹”真正探测引力波提供一个良好的平台。

太极-1有什么不同寻常的,它标志着中国空间引力波探测的第一步?近日,记者前往太极一号的发源地中国科学院微型卫星创新研究所了解情况。

中国迈出探测太空引力波的第一步

2016年引力波的发现为人类了解宇宙打开了一扇新的窗口。爱因斯坦100年前预测的这个“窗口”一打开,就立即引发了全世界物理学家探测引力波的热潮。

虽然由大质量黑洞合并引起的时空波动如此剧烈,但在数千亿年的时空旅行后,已经很难探测到它的存在——它引起的波动只有10 -15到10 -20米,这仅仅相当于一个原子的尺度。

在地球上,由于重力的影响,人类能够探测到的引力波事件非常有限。我们能在太空中寻找引力波的踪迹吗?早在20世纪90年代,美国和欧洲的科学家就提出了lisa项目,并计划在2034年发射卫星。

丽莎图表

因为要真正实现空间引力波的探测,有太多的技术问题需要突破。他们真的太难了!

与一动不动的树叶和花朵相比,树叶和花朵摇动让我们感觉到空气在流动。什么现象能让我们像引力波一样感知时间和空间的涟漪?

根据引力波测量原理,当引力波经过时,它们将导致两个自由悬挂的测试质量之间的光路改变(理想情况下,它们可以被视为两个粒子)。科学家使用激光干涉仪测量光路变化,从而获取引力波信号。

因此,两个粒子需要处于完全“自由悬浮”的状态,并且优选不受任何外力的影响。同时,卫星还应具有极其灵敏的仪器和设备,能够保持测试质量处于高度平衡状态:最好消除所有外部影响,如温度和速度的变化,并在检测到哪怕是最轻微的变化时及时微调探测器,以确保探测器不受干扰。

随着近年来中国空间科学探索的快速发展,中国科学家提出了“太极计划”,为人类文明的进步贡献更多的中国智慧。该计划设想了三个步骤,最终实现三颗引力波卫星在离地球约5000万公里的绕太阳轨道上相距300万公里的排列,并在三颗恒星的中心放置两个测试质量。

“太极图”最终目标示意图

据“太极一号”首席科学家、中国科学院院士吴岳亮介绍,引力波探测卫星需要将扰动加速度控制在万有引力加速度的十亿分之一水平,才能精确测量十分之一原子的位移变化。

这显然超出了中国目前的技术水平。因此,“太极一号”的目标是迈出第一步:验证核心技术的可行性以及在轨道上实现它们的方法,然后形成探测空间引力波的技术能力。

一年挑战“不可能的任务”

2018年8月,“太极1号”正式获批,开发卫星的艰巨任务移交给位于上海浦东张江科学城的中国科学院微型卫星创新研究所。

该研究所成立仅10多年,只有600多人,迄今已成功完成北斗、墨子、悟空等100多颗卫星的总体开发。然而,当接受“太极1”任务时,研究人员仍然气喘吁吁地说:他们只有一年时间!

即使对于轨道不长的空间科学卫星,一般发展周期也是3-5年。根据标准流程,计划必须先完成,然后才能上天堂。一年足够制定计划了!

我该怎么办?学院领导精心挑选并组建了“星铸突击队”:60后经验丰富的骨干人物余金培担任卫星系统总指挥,成功设计了“悟空”暗物质卫星的王华·李担任卫星的总设计师,并大胆聘用年轻人:副总设计师曹金和蔡志明都是大约85岁的年轻技术骨干。许多团队成员都是第一次担任首席设计师,有些甚至刚刚从大学毕业。

整个团队的平均年龄只有31岁,除了总司令是60后,只有3个70后,18个80后,甚至10个90后。

“演员表明星突击队”合影

即使年轻人可以惊喜和加班,今年怎么够呢?如果你不能打败敌人,你仍然需要智胜他。经过深思熟虑,团队的关键成员决定优化流程:在确保卫星质量的前提下,将原来的“计划-初始样本-阳性样本”三步流程改为“计划-阳性样本”。

余金培说,这绝不是偷工减料。“我们根据任务调度紧张的特点优化了传统的空间工程方法,引入了数字仿真分析代替实验测量,将串行过程改为适度并行过程,增强了机载软件的可重构能力,尝试使用标准化的成熟货架产品,并将精力集中在啃最硬的“骨头”的刀片上。

整个一年中,这个团队几乎每天工作16-18个小时,春节期间只有三天休息。当他们按时交付卫星时,吴岳亮院士激动得热泪盈眶:“我从没想过我能按时交付。没想到,你真的做到了!”

许多“世界原创”实现了“太极”的境界

安静、稳定和准确是太极第一的三大特征,也是最严格的技术指标。

由于引力波引起的物体位移小于原子直径,测试质量的“作用”幅度必须小于这个值。别说重力了,就算阳光压着宇宙射线,对它来说,影响也太大了!热膨胀和冷收缩甚至更不受欢迎。甚至卫星上的机械和电磁活动也应该避免。此外,需要极其灵敏的仪器来及时检测和纠正这些偏差。

这真的是“太极”范畴之外的“静”。为此,太极一号采用了一系列世界首创的新测控技术,如在轨无阻力控制和微推力技术。

为了保证高精度的实现,“铸造之星打击小组”(Cast Star Strike Team)设计了一颗完全没有运动部件的整颗卫星——任务段没有太阳能电池板,没有热管,没有滑轮控制或电磁控制部件,以保证对被测质量的影响小于地球重力的10亿分之一。同时,他们使用高稳定性的热控制来确保被测质量的温度变化不超过千分之四摄氏度。

由于在地面上找不到测试环境,太极一号将这些新设备带到离地面600公里的微重力轨道上进行验证。

九月底公布的结果令人鼓舞:根据「太极一号」第一期在轨测试和数据分析的结果

激光干涉仪的位移测量精度达到100皮米的数量级,相当于原子直径的大小。

重力参考传感器的测量精度约为地球重力加速度的十亿分之一,这意味着蚂蚁推动“太极1号”卫星产生的加速度可以测量。

微型推进器的推力分辨率达到亚微米量级,这意味着芝麻重量的1/10000的推力可以微调。

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,成功进行了我国第一次在轨无拖曳控制技术试验,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,为我国在空间引力波探测领域取得首次突破奠定了基础中国科学院院士兼“太极一号”卫星工程总工程师王建宇说。

然而,目前达到的测量精度仍然与最终目标相差四五个数量级。余金培说,只要国家给他们任务,他们就会尽最大努力迎接挑战。

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