中國從零開始打造“太極一號”引力參考傳感器

 510所揭秘“太極一號”引力參考傳感器：從白手起家到在軌應(yīng)用。“太極一號”成功發(fā)射和第一階段在軌測試任務(wù)順利完成，邁出了中國空間引力波探測的第一步，在探索浩瀚宇宙征程中，為人類文明進(jìn)步貢獻(xiàn)了“中國智慧”。中國首顆空間引力波探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“太極一號”已順利完成第一階段在軌測試任務(wù)，這也意味著搭載在該衛(wèi)星的核心測量設(shè)備“引力參考傳感器”成功實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用。

截至目前，衛(wèi)星狀態(tài)正常，該傳感器在衛(wèi)星開展微重力測量、激光干涉測量、無拖曳控制等試驗(yàn)中各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良、運(yùn)行正常。

“太極”很急!三代航天人“極限挑戰(zhàn)”

作為“太極一號”上最重要的核心測量設(shè)備之一，引力參考傳感器由中國航天科技集團(tuán)有限公司五院五一〇所空間環(huán)境探測載荷中心為主，與中國科學(xué)院長春光學(xué)與精密機(jī)械研究所合作研制。該項(xiàng)目也是510所“70后”“80后”“90后”三代航天人歷時(shí)近20年研究的靜電懸浮加速度測量技術(shù)首次在軌應(yīng)用。

2018年7月8日，“太極計(jì)劃”共同首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞來到510所，提出由該所主導(dǎo)研制中科院空間科學(xué)(二期)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)首發(fā)星——微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(“太極一號”命名前的名稱)的引力參考傳感器。彼時(shí)，國內(nèi)有這一技術(shù)長期研究基礎(chǔ)的機(jī)構(gòu)鮮少，從指標(biāo)和能力來看，510所是國內(nèi)最優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)之一。

“當(dāng)時(shí)，離衛(wèi)星發(fā)射只有一年時(shí)間，技術(shù)又非常難，最開始大家覺得這是不可能完成的事。”510所空間環(huán)境探測載荷中心技術(shù)總監(jiān)、引力參考傳感器技術(shù)負(fù)責(zé)人雷軍剛說，引力波信號極其微弱，實(shí)施空間引力波探測挑戰(zhàn)巨大，需要突破目前人類精密測量和控制技術(shù)的極限。

事實(shí)上，510所從事空間微重力測量已有近40年歷史，自2000年起，該所科研人員挑戰(zhàn)最精密的空間測量技術(shù)之一——高精度靜電懸浮加速度測量技術(shù)。團(tuán)隊(duì)在近20年科研成果基礎(chǔ)上，短短1年之內(nèi)，研制出了“太極一號”核心測量設(shè)備——引力參考傳感器。

觸摸宇宙律動(dòng)“脈搏”發(fā)力爭先國際前沿

“引力波”是近年來科學(xué)研究最熱點(diǎn)之一，似乎全世界科學(xué)家都對它“情有獨(dú)鐘”。中國科學(xué)院副院長相里斌曾總結(jié)道：引力波提供了有別于電磁波的一個(gè)全新觀測宇宙的重要窗口，成為人類探索和認(rèn)知宇宙的一種新途徑和工具。

20世紀(jì)80年代末90年代初開始，國際上不少國家啟動(dòng)研究這一領(lǐng)域。“2016年，美國科學(xué)家在地面探測到引力波。但在此之前，國外其實(shí)已有十來個(gè)地面引力波探測計(jì)劃，因?yàn)榧夹g(shù)很難，花費(fèi)很大，只有少部分能堅(jiān)持下來。”雷軍剛說，當(dāng)時(shí)外界有很多質(zhì)疑聲音，認(rèn)為這是“異想天開”。

而在國內(nèi)，引力波探測領(lǐng)域，自2016年才有了“新的轉(zhuǎn)機(jī)”。雷軍剛認(rèn)為，“太極一號”標(biāo)志著中國空間引力波探測從論證進(jìn)入工程實(shí)施階段，而510所一直默默研究近20年的技術(shù)，也終于迎來了到天上驗(yàn)證的“舞臺”。

“太極一號”第一階段在軌測試和數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，510所主研的引力參考傳感器測量精度達(dá)到地球重力加速度的百億分之一量級，相當(dāng)于一只螞蟻推“太極一號”產(chǎn)生的加速度。

引力參考傳感器可以監(jiān)測到衛(wèi)星平臺受到的最微小的“擾動(dòng)”，比如來自太陽光照的微弱壓力、來自太空里極其稀薄氣體的阻力，甚至是來自地球?qū)πl(wèi)星的反向輻照壓力，相當(dāng)于去遙遠(yuǎn)太空觸摸宇宙律動(dòng)的“脈搏”，傾聽“時(shí)光的漣漪”。

據(jù)悉，該項(xiàng)技術(shù)也是未來空間引力波探測、超高精度慣性導(dǎo)航、全球氣候及重力環(huán)境研究等重大和前沿空間科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。510所引力參考傳感器的成功研制，也標(biāo)志著中國在此類最前沿的航天高精尖領(lǐng)域開始發(fā)力爭先。

一切從“零”開始 創(chuàng)國內(nèi)首次

510所空間環(huán)境載荷工程中心陳光鋒博士是第一代參與靜電懸浮微重力測量技術(shù)的骨干人員之一。“這個(gè)研究國家之前沒做過，510所國內(nèi)首先做，難度很大，尤其在地面上性能驗(yàn)證很難。”他說，當(dāng)時(shí)，資料十分有限，從建模、分析、懸浮、系統(tǒng)敏感結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、精密測量系統(tǒng)都是自己反復(fù)摸索著做，完全是“白手起家”。

面對科學(xué)和工程技術(shù)上的新挑戰(zhàn)，510所沒有國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，只能刻苦攻關(guān)，打通技術(shù)路線，攻克難題。2008年，510所科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了克服1G重力的六自由度地面穩(wěn)定懸浮，該所這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)時(shí)屬國內(nèi)首創(chuàng)，測量精度是地球重力加速度的一億分之一。

然而，慣性傳感器的要求與前期的靜電懸浮加速度計(jì)技術(shù)有區(qū)別，“上天”前，不僅先要“浮”起來，還必須做到地面懸浮驗(yàn)證完全可靠，因此采用了更加復(fù)雜的數(shù)字反饋控制技術(shù)。

但是，新的產(chǎn)品直到今年2月春節(jié)前夕，距“太極一號”發(fā)射還有6個(gè)月，還沒懸浮起來，大家急得像“熱鍋上的螞蟻”，沒日沒夜地加班。

“航天是高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，有些東西地面測不了。我們多次懸浮后把指標(biāo)測出來，與天上有差距，因?yàn)榈厍蛟谡饎?dòng)。”整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師王佐磊透露，為減少外界干擾，團(tuán)隊(duì)借用地震局的山洞，前后九次進(jìn)山洞實(shí)驗(yàn)懸浮。

這么長時(shí)間還沒解決!當(dāng)時(shí)，中國科學(xué)院的專家也坐不住了，專程坐飛機(jī)趕來蘭州分析問題。所幸，就在飛機(jī)落地前的當(dāng)天早上，510所成功實(shí)現(xiàn)了新系統(tǒng)的“高壓懸浮”。引力參考傳感器關(guān)鍵核心工藝設(shè)計(jì)師毛俊程笑稱“批斗會變成了慶功會，大家終于過了個(gè)好年。”