引力波：“天琴”啟航待你奏鳴

文/ 賀喜梅

▲ 長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射天琴一號(hào)衛(wèi)星

2019年12月20日，伴隨著長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭的升空，我國(guó)“天琴”引力波探測(cè)計(jì)劃首顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星——“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星成功啟航，開(kāi)啟了它的宇宙探索之旅。

“天琴計(jì)劃”是由中山大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士羅俊提出，以中國(guó)為主導(dǎo)的國(guó)際空間引力波探測(cè)計(jì)劃。“天琴一號(hào)”肩負(fù)著對(duì)無(wú)拖曳控制技術(shù)、慣性傳感器技術(shù)、高精度激光干涉測(cè)量技術(shù)等進(jìn)行在軌驗(yàn)證的使命，可謂是空間引力波探測(cè)的探路者。

空間引力波，“天琴”啟航，待你奏鳴。

構(gòu)建空間“天文臺(tái)”

1916年，愛(ài)因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。

通俗來(lái)講，因?yàn)橘|(zhì)量的存在，物體邊界處會(huì)發(fā)生時(shí)空彎曲。引力波就是時(shí)空彎曲中的漣漪。當(dāng)引力波通過(guò)時(shí)，物體之間的距離就會(huì)發(fā)生有節(jié)奏的增加和減少。引力波探測(cè)對(duì)于研究宇宙的起源、發(fā)展、演變，意義非常重大。

2016年年初，美國(guó)的LIGO地面應(yīng)力波探測(cè)裝置首次直接探測(cè)到了引力波，找到了驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的最后一塊拼圖，在國(guó)際上掀起了引力波探測(cè)研究的熱潮。我國(guó)黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人高度重視引力波的研究，習(xí)近平總書(shū)記曾做出重要批示，要求研究其戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，努力搶占科技制高點(diǎn)。

為什么地面上都已經(jīng)探測(cè)到引力波了，還要到空間去探測(cè)呢？

“由于激光干涉測(cè)量臂長(zhǎng)的限制，地面上只能探測(cè)到高頻引力波，要探測(cè)到更寬域的低頻引力波，只能到空間上去，形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)公里到數(shù)百萬(wàn)公里的干涉臂長(zhǎng)。”天琴一號(hào)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師張立華介紹，引力波探測(cè)將提供一種全新的天文觀測(cè)手段，成為人類(lèi)觀測(cè)宇宙、了解宇宙的新窗口。

我國(guó)積極謀劃實(shí)施空間引力波探測(cè)項(xiàng)目，國(guó)家航天局面向前沿高精度空間探測(cè)共性技術(shù)，批準(zhǔn)了天琴一號(hào)衛(wèi)星項(xiàng)目的實(shí)施。

“天琴計(jì)劃”擬在地球軌道上部署3顆衛(wèi)星，組成臂長(zhǎng)十幾萬(wàn)公里的等邊三角形編隊(duì)，構(gòu)成空間引力波探測(cè)天文臺(tái)，通過(guò)激光干涉測(cè)距系統(tǒng)來(lái)精確測(cè)量處于衛(wèi)星內(nèi)部的檢驗(yàn)質(zhì)量之間距離的微小變化，實(shí)現(xiàn)探測(cè)引力波的目的。其獲取的數(shù)據(jù)將用于開(kāi)展引力波、宇宙學(xué)、天文學(xué)等方面的基礎(chǔ)科學(xué)研究。

空間引力波探測(cè)帶來(lái)了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，很多技術(shù)指標(biāo)高于現(xiàn)有水平數(shù)個(gè)量級(jí)。因此，必須循序漸進(jìn)、分步實(shí)施，通過(guò)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)，待關(guān)鍵技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性突破以后，再研制能夠在空間探測(cè)到引力波的衛(wèi)星系統(tǒng)。“天琴一號(hào)”擔(dān)負(fù)的正是這個(gè)使命。

人工營(yíng)造“純引力”環(huán)境

作為“天琴計(jì)劃”的先行軍，“天琴一號(hào)”是一顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，目的是構(gòu)建空間高精度慣性基準(zhǔn)，驗(yàn)證相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，為空間引力波探測(cè)任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。而無(wú)拖曳控制，則是這顆衛(wèi)星要重點(diǎn)攻克的難題。

所謂無(wú)拖曳控制，就是依靠微推進(jìn)系統(tǒng)在航天器上施加持續(xù)的推力，以此“抵消”航天器在軌道上受到的大氣、太陽(yáng)光壓等非保守力，為衛(wèi)星內(nèi)部自由懸浮的檢驗(yàn)質(zhì)量提供一個(gè)近乎“純引力”的飛行環(huán)境。未來(lái)，一旦通過(guò)激光干涉測(cè)距技術(shù)精確檢測(cè)到兩顆衛(wèi)星檢驗(yàn)質(zhì)量之間微弱的距離變化，就具備了探測(cè)引力波的能力。

“如果說(shuō)沒(méi)有其他力的作用，兩個(gè)在‘純引力’作用下的檢驗(yàn)質(zhì)量間的距離是不變的，在引力波的作用下，距離就會(huì)發(fā)生變化，但這個(gè)變化是極其微小的，所以對(duì)探測(cè)的精度要求非常高，激光干涉測(cè)距的精度要達(dá)到皮米級(jí)。這對(duì)航天器的很多性能都帶來(lái)了挑戰(zhàn)，例如極高的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及星間指向的穩(wěn)定性等。”張立華說(shuō)。

為實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳控制技術(shù)在軌驗(yàn)證，天琴一號(hào)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星配置了高精度的慣性傳感器和微牛級(jí)連續(xù)可調(diào)的冷氣微推進(jìn)系統(tǒng)，作為無(wú)拖曳控制系統(tǒng)的敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)高穩(wěn)定的溫度控制、精準(zhǔn)的質(zhì)心控制，為無(wú)拖曳控制提供良好的環(huán)境保障。此外，“天琴一號(hào)”還配置了高精度激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行一些初步的能力驗(yàn)證，為下一步雙星技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。

“地面上的干擾因素比較多，盡管我們通過(guò)一些間接的測(cè)試加上一些仿真分析能夠?qū)ο嚓P(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，但只有到軌道環(huán)境中才能得到更好的驗(yàn)證，這也是發(fā)射‘天琴一號(hào)’的初衷。”張立華說(shuō)。

“這只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步，離最終實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。”張立華補(bǔ)充道。

即便如此，這一步的技術(shù)驗(yàn)證，將為未來(lái)技術(shù)發(fā)展提供有價(jià)值的參考，是至關(guān)重要的一步。

▲ 微牛級(jí)連續(xù)變推力模塊產(chǎn)品副本

▲ 天琴一號(hào)衛(wèi)星工作場(chǎng)景

▲ 天琴一號(hào)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)合影

世界共享科學(xué)數(shù)據(jù)

在天琴一號(hào)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目中，我國(guó)首次采用國(guó)家、地方、高校、企業(yè)共同聯(lián)合研發(fā)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星的途徑，充分發(fā)揮了國(guó)家主管機(jī)關(guān)的政策引領(lǐng)、地方資金支持、高校的科學(xué)研究基礎(chǔ)和企業(yè)的工程研制經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)。

在該項(xiàng)目中，國(guó)家航天局為工程大總體管理單位，中山大學(xué)為用戶(hù)單位，航天東方紅公司為衛(wèi)星總體負(fù)責(zé)單位，試驗(yàn)載荷分別由中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)空間技術(shù)研究院等國(guó)內(nèi)有關(guān)單位研制。

“作為衛(wèi)星研制方，我們要做的就是努力幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想。”張立華說(shuō)。空間引力波探測(cè)是個(gè)世界性的難題，對(duì)航天器的性能提出了極高的要求，只有充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，形成合力，才能取得實(shí)質(zhì)性的突破。

“高校提出科學(xué)目標(biāo)、任務(wù)需求，并承擔(dān)部分新的科學(xué)載荷的研制工作；我們發(fā)揮航天工業(yè)部門(mén)的技術(shù)基礎(chǔ)和工程優(yōu)勢(shì)，完成衛(wèi)星的研制工作。兩者結(jié)合是一種很好的模式。”張立華說(shuō)。

作為天琴一號(hào)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的用戶(hù)單位，中山大學(xué)還負(fù)責(zé)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行，在航天東方紅公司和各承制單位的支持下，完成衛(wèi)星的在軌試驗(yàn)任務(wù)協(xié)調(diào)與管控、數(shù)據(jù)接收、處理、存檔、分發(fā)和數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定。

據(jù)天琴一號(hào)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星總體主任設(shè)計(jì)師黎明介紹，未來(lái)“天琴計(jì)劃”的數(shù)據(jù)有望提供給全世界科學(xué)家共同研究。總之，在天琴一號(hào)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目的牽引下，國(guó)家、地方、高校、企業(yè)密切協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)，技術(shù)、科學(xué)、應(yīng)用協(xié)同發(fā)展的新機(jī)制正在形成。★