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510所揭秘“太极一号”引力参考传感器:一切从“零”开始

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  510所揭秘“太极一号”引力参考传感器:从白手起家到在轨应用

  中新网兰州10月14日电 (记者 南如卓玛)中国首颗空间引力波探测技术实验卫星“太极一号”已顺利完成第一阶段在轨测试任务,这也意味着搭载在该卫星的核心测量设备“引力参考传感器”成功实现在轨应用。截至目前,卫星状态正常,该传感器在卫星开展微重力测量、激光干涉测量、无拖曳控制等试验中各项性能指标优良、运行正常。

  “太极一号”成功发射和第一阶段在轨测试任务顺利完成,迈出了中国空间引力波探测的第一步,在探索浩瀚宇宙征程中,为人类文明进步贡献了“中国智慧”。

图为中国航天科技集团有限公司五院五一〇所空间环境探测载荷中心科研团队研制与研制成功的引力参考传感器合影留念。(资料图) 航天510所供图 摄
图为中国航天科技集团有限公司五院五一〇所空间环境探测载荷中心科研团队研制与研制成功的引力参考传感器合影留念。(资料图) 航天510所供图 摄

  “太极”很急!三代航天人“极限挑战”

  作为“太极一号”上最重要的核心测量设备之一,引力参考传感器由中国航天科技集团有限公司五院五一〇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。该项目也是510所“70后”“80后”“90后”三代航天人历时近20年研究的静电悬浮加速度测量技术首次在轨应用。

  2018年7月8日,“太极计划”共同首席科学家、中科院院士胡文瑞来到510所,提出由该所主导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。彼时,国内有这一技术长期研究基础的机构鲜少,从指标和能力来看,510所是国内最优秀的团队之一。

  “当时,离卫星发射只有一年时间,技术又非常难,最开始大家觉得这是不可能完成的事。”510所空间环境探测载荷中心技术总监、引力参考传感器技术负责人雷军刚说,引力波信号极其微弱,实施空间引力波探测挑战巨大,需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。

  事实上,510所从事空间微重力测量已有近40年历史,自2000年起,该所科研人员挑战最精密的空间测量技术之一——高精度静电悬浮加速度测量技术。团队在近20年科研成果基础上,短短1年之内,研制出了“太极一号”核心测量设备——引力参考传感器。

图为研制团队现场工作照。(资料图) 航天510所供图 摄
图为研制团队现场工作照。(资料图) 航天510所供图 摄

  一切从“零”开始 创国内首次

  510所空间环境载荷工程中心陈光锋博士是第一代参与静电悬浮微重力测量技术的骨干人员之一。“这个研究国家之前没做过,510所国内首先做,难度很大,尤其在地面上性能验证很难。”他说,当时,资料十分有限,从建模、分析、悬浮、系统敏感结构、控制系统、精密测量系统都是自己反复摸索着做,完全是“白手起家”。

  面对科学和工程技术上的新挑战,510所没有国内经验可借鉴,只能刻苦攻关,打通技术路线,攻克难题。2008年,510所科研团队实现了克服1G重力的六自由度地面稳定悬浮,该所这项技术当时属国内首创,测量精度是地球重力加速度的一亿分之一。

  然而,惯性传感器的要求与前期的静电悬浮加速度计技术有区别,“上天”前,不仅先要“浮”起来,还必须做到地面悬浮验证完全可靠,因此采用了更加复杂的数字反馈控制技术。

  但是,新的产品直到今年2月春节前夕,距“太极一号”发射还有6个月,还没悬浮起来,大家急得像“热锅上的蚂蚁”,没日没夜地加班。

  “航天是高风险行业,有些东西地面测不了。我们多次悬浮后把指标测出来,与天上有差距,因为地球在震动。”整机系统设计师王佐磊透露,为减少外界干扰,团队借用地震局的山洞,前后九次进山洞实验悬浮。

  这么长时间还没解决!当时,中国科学院的专家也坐不住了,专程坐飞机赶来兰州分析问题。所幸,就在飞机落地前的当天早上,510所成功实现了新系统的“高压悬浮”。引力参考传感器关键核心工艺设计师毛俊程笑称“批斗会变成了庆功会,大家终于过了个好年。”

图为“太极一号”上最重要的核心测量设备之一引力参考传感器。(资料图) 航天510所供图 摄
图为“太极一号”上最重要的核心测量设备之一引力参考传感器。(资料图) 航天510所供图 摄

  触摸宇宙律动“脉搏”发力争先国际前沿

  “引力波”是近年来科学研究最热点之一,似乎全世界科学家都对它“情有独钟”。中国科学院副院长相里斌曾总结道:引力波提供了有别于电磁波的一个全新观测宇宙的重要窗口,成为人类探索和认知宇宙的一种新途径和工具。

  20世纪80年代末90年代初开始,国际上不少国家启动研究这一领域。“2016年,美国科学家在地面探测到引力波。但在此之前,国外其实已有十来个地面引力波探测计划,因为技术很难,花费很大,只有少部分能坚持下来。”雷军刚说,当时外界有很多质疑声音,认为这是“异想天开”。

  而在国内,引力波探测领域,自2016年才有了“新的转机”。雷军刚认为,“太极一号”标志着中国空间引力波探测从论证进入工程实施阶段,而510所一直默默研究近20年的技术,也终于迎来了到天上验证的“舞台”。

  “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。

  引力参考传感器可以监测到卫星平台受到的最微小的“扰动”,比如来自太阳光照的微弱压力、来自太空里极其稀薄气体的阻力,甚至是来自地球对卫星的反向辐照压力,相当于去遥远太空触摸宇宙律动的“脉搏”,倾听“时光的涟漪”。

  据悉,该项技术也是未来空间引力波探测、超高精度惯性导航、全球气候及重力环境研究等重大和前沿空间科学研究和工程应用领域的关键技术。510所引力参考传感器的成功研制,也标志着中国在此类最前沿的航天高精尖领域开始发力争先。(完)

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