2019年12月20日，伴隨著長征四號乙運載火箭的升空，由航天科技集團五院航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的我國“天琴”引力波探測計劃的首顆技術(shù)驗證衛(wèi)星——天琴一號成功啟航，開啟了它的空間引力波探測技術(shù)的探索之旅。

空間探測引力波

1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。通俗來講，因為質(zhì)量的存在，物體邊界處會發(fā)生時空彎曲。引力波就是時空彎曲中的漣漪，當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發(fā)生有節(jié)奏的增加和減少，引力波探測對于研究宇宙的起源、發(fā)展、演變，意義非常重大。

“天琴計劃”是由中山大學校長、中國科學院院士羅俊于2014年提出的、以中國為主導的國際空間引力波探測計劃。擬在地球軌道上部署3顆衛(wèi)星，組成臂長十幾萬公里的等邊三角形編隊，構(gòu)成空間引力波探測天文臺，通過激光干涉測距系統(tǒng)來精確測量處于衛(wèi)星內(nèi)部的檢驗質(zhì)量之間距離的微小變化，實現(xiàn)探測引力波的目的。獲取的觀測數(shù)據(jù)將用于開展引力波、宇宙學、天文學等方面的基礎(chǔ)科學研究。

地面上都已經(jīng)探測到引力波了，為什么還要到空間去探測呢？

“地面上由于激光干涉測量臂長的限制，只能探測到高頻引力波，要探測到更寬域的低頻引力波，只能到空間上去，形成長達數(shù)萬公里到數(shù)百萬公里的干涉臂長。”“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星總設(shè)計師張立華介紹，空間引力波探測將提供一種全新的天文觀測手段，成為人類觀測宇宙、了解宇宙的新窗口。

空間引力波探測帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，很多技術(shù)指標高于現(xiàn)有水平數(shù)個量級。因此，必須循序漸進、分步實施，通過技術(shù)試驗衛(wèi)星驗證相關(guān)技術(shù)，待關(guān)鍵技術(shù)取得實質(zhì)性突破以后，再去研制能夠在空間探測到引力波的衛(wèi)星系統(tǒng)。“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星擔負的正是這個使命。

作為空間引力波探測的先行軍，“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星，目的是構(gòu)建空間高精度慣性基準，驗證相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，為空間引力波探測任務目標的實現(xiàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。而無拖曳控制，則是這顆衛(wèi)星要重點攻克的難題。

所謂無拖曳控制，就是依靠微推進系統(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、太陽光壓等非保守力，為衛(wèi)星內(nèi)部“自由懸浮”的檢驗質(zhì)量提供一個近乎“純引力”的飛行環(huán)境。未來，一旦實現(xiàn)了通過激光干涉測距技術(shù)精確檢測兩顆衛(wèi)星檢驗質(zhì)量之間微弱的距離變化，就具備探測到引力波的能力。

“如果說沒有其他力的作用，兩個在‘純引力’作用下的檢驗質(zhì)量之間的距離是不變的，在引力波的作用下，距離就會發(fā)生變化，但這個變化是極其微小的變化，所以對探測的精度要求非常高，激光干涉測距的精度要達到皮米級。這對航天器的很多性能都帶來了挑戰(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?！睆埩⑷A說。

為實現(xiàn)無拖曳控制技術(shù)在軌驗證，“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星配置了高精度的慣性傳感器和微牛級連續(xù)可調(diào)的冷氣微推進系統(tǒng)，作為無拖曳控制系統(tǒng)的敏感器和執(zhí)行機構(gòu)，同時通過高穩(wěn)定的溫度控制、精準的質(zhì)心控制，為無拖曳控制提供良好的環(huán)境保障。衛(wèi)星還配置了高精度激光干涉測量系統(tǒng)，進行一些初步的能力驗證，為下一步雙星技術(shù)試驗系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。

“地面上的干擾因素比較多，盡管我們通過一些間接的測試加上一些仿真分析能夠?qū)ο嚓P(guān)指標進行綜合評價，但只有到軌道環(huán)境中才能得到更好的驗證，這也是發(fā)射天琴一號的初衷?！睆埩⑷A說。

一種全新的合作模式

在“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星項目中，我國首次采用國家、地方、高校、企業(yè)共同聯(lián)合研發(fā)科學試驗衛(wèi)星的途徑，有助于發(fā)揮政策引領(lǐng)、資金支持、科學研究基礎(chǔ)和工程研制經(jīng)驗等相結(jié)合的優(yōu)勢。

 “作為衛(wèi)星研制方，我們要做的就是努力幫助科學家實現(xiàn)夢想?！睆埩⑷A說?？臻g引力波探測是個世界性的難題，對航天器的性能提出了極高的要求，只有充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，形成合力，才能取得實質(zhì)性的突破。“高校提出科學目標、任務需求，并承擔部分新的科學載荷的研制工作，我們發(fā)揮航天工業(yè)部門的技術(shù)基礎(chǔ)和工程優(yōu)勢完成衛(wèi)星的研制工作，兩者結(jié)合是一種很好的模式?！睆埩⑷A說。

作為“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星的用戶單位，中山大學還負責了科學應用系統(tǒng)的建設(shè)和運行，在航天東方紅衛(wèi)星有限公司和各承制單位的支持下，完成衛(wèi)星的在軌試驗任務協(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)量評定。據(jù)“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星總體主任設(shè)計師黎明介紹，未來天琴計劃的數(shù)據(jù)有望提供給全世界科學家共同研究?？傊凇疤烨僖惶枴奔夹g(shù)試驗衛(wèi)星項目的牽引下，國家、地方、高校、企業(yè)密切協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)，技術(shù)、科學、應用協(xié)同發(fā)展的新機制正在形成。