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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

时间:2019-11-08 10:33:12      

图为中国航天科技集团有限公司第五研究院510研究所空间环境探测载荷中心研发“太极1号”重力参考传感器的研究团队。(数据地图)太空飞行510提供的照片

图为中国航天科技集团有限公司第五研究院510研究所空间环境探测载荷中心研发“太极1号”重力参考传感器的研究团队。(数据地图)太空飞行510提供的照片

510发现“太极1号”重力参考传感器:从自制到在轨应用

北京,兰州10月14日电(记者南如卓马)中国首颗空间引力波探测技术实验卫星太极1号(Tai Chi-1)成功完成了在轨测试的第一阶段,这也意味着搭载在卫星上的核心测量装置“重力参考传感器”已经成功实现在轨应用。到目前为止,卫星处于正常状态,该传感器在微重力测量、激光干涉测量、无拖曳控制等卫星测试中具有优异的性能指标和正常运行。

太极1号的成功发射和在轨测试任务第一阶段的成功完成,为中国空间引力波探测迈出了第一步,为人类探索浩瀚宇宙的文明进步贡献了“中国智慧”。

图为中国航天科技集团有限公司第五研究所空间环境探测载荷中心科研团队成功研制重力参考传感器的合影。(数据地图)太空飞行510提供的照片

“太极”很急!三代宇航员的“极限挑战”

重力参考传感器作为“太极1号”最重要的核心测量设备之一,主要由中国航天科技集团有限公司第五研究所510空间环境探测载荷中心与中国科学院长春光学精密机械研究所合作开发。该项目也是510代“70后”、“80后”和“90后”宇航员近20年来首次研究静电悬浮加速度测量技术。

2018年7月8日,“太极计划”联合首席科学家、中国科学院院士胡文瑞来到510家研究机构,建议该机构牵头开发微重力技术实验卫星重力参考传感器(太极1号命名前的名称),中国科学院战略试点科技项目(二期)的第一颗星。当时,很少有国内机构拥有这项技术的长期研究基础。从指标和能力来看,510是全国最好的队伍之一。

“当时,卫星发射只有一年的时间,技术非常困难。起初,每个人都认为这是不可能的。”510空间环境探测载荷中心技术总监、重力参考传感器技术负责人雷俊刚表示,引力波信号极其微弱,实施空间引力波探测是一项巨大的挑战,需要突破目前人类精密测控技术的限制。

事实上,510名研究人员从事空间微重力测量已经将近40年了。自2000年以来,510的研究人员一直在挑战最精确的空间测量技术之一——高精度静电悬浮加速度测量技术。在近20年科研成果的基础上,该团队在短短一年内研制出了“太极1号”重力参考传感器核心测量设备。

图为研究小组的实地工作。(数据地图)太空飞行510提供的照片

这是中国第一次一切都从“零”开始

510空间环境载荷工程中心的陈光峰博士是参与静电悬浮微重力测量技术的第一代关键人员之一。“这个研究国家以前没有这样做过。510个国家首先做到了这一点,这非常困难,特别是在实地。”他说,当时的数据非常有限,从建模、分析、悬挂、系统敏感结构、控制系统、精密测量系统都是自己反复摸索,完全“从头开始”。

面对科学和工程技术的新挑战,510没有国内经验可借鉴。他们必须刻苦解决关键问题,通过技术路线,解决难题。2008年,510个科学研究小组实现了一个六自由度地面稳定悬挂,对抗1g重力。该研究所的技术最早是在中国发展起来的,测量精度是地球重力加速度的一亿倍。

然而,惯性传感器的要求不同于以前的静电悬浮加速度计技术。在“上天堂”之前,不仅惯性传感器必须首先“浮动”,而且地面悬浮验证必须完全可靠。因此,采用了更复杂的数字反馈控制技术。

然而,新产品直到今年2月春节前夕,也就是“太极一号”推出前六个月才暂停上市。每个人都像热锅上的蚂蚁一样焦虑,日夜加班。

“太空是一个高风险行业。有些东西不能在地面上测量。在多次悬浮之后,我们测量了指数,它不同于天空,因为地球在晃动。”系统设计师王佐磊透露,为了减少外部干扰,该团队借用地震局的洞穴,在洞穴暂停前后进行了9次实验。

它已经很久没有解决了!当时,中国科学院的专家们无法坐以待毙,飞到兰州分析这个问题。幸运的是,在飞机着陆前一天早上,510成功实现了新系统的“高压悬挂”。重力参考传感器的关键核心工艺设计师毛俊成笑着说,“批评将成为一个庆祝会,每个人最终都度过了美好的一年。”

图为重力参考传感器,是“太极一号”最重要的核心测量设备之一。(数据地图)太空飞行510提供的照片

触摸宇宙节奏的“脉搏”争取国际前沿

引力波是近年来科学研究中最热门的课题之一。似乎全世界的科学家都“特别喜欢”它。中国科学院副院长向立斌(Xiang Libin)曾得出结论,引力波为观察宇宙提供了一个不同于电磁波的新的重要窗口,成为人类探索和理解宇宙的新方式和工具。

自20世纪80年代末和90年代初以来,世界上许多国家开始研究这一领域。“2016年,美国科学家在地面探测到引力波。但在此之前,国外实际上有十几个地面引力波探测计划,因为这项技术非常困难和昂贵,而且只有少数能够存活下来。”雷俊刚说,当时,外界对这一点有很多疑问,认为这“太棒了”。

在中国,自2016年以来,引力波探测有了“新的转折”。雷俊刚认为,“太极一号”标志着中国空间引力波探测示范项目实施阶段的开始。已经默默研究了近20年的510家研究机构终于迎来了验证的“舞台”。

“太极1号”第一期在轨测试和数据分析结果显示,510家研究所开发的重力参考传感器的测量精度约为地球重力加速度的100亿倍,相当于蚂蚁推动“太极1号”产生的加速度。

重力参考传感器可以探测到对卫星平台最轻微的“干扰”,例如来自太阳光的微弱压力,来自太空中极稀薄气体的阻力,甚至地球对卫星的反向辐射压力,这相当于在遥远的空间触摸宇宙节奏的“脉冲”,聆听“时间的涟漪”。

据悉,这项技术也是未来空间科学研究和工程应用的主要前沿技术,如空间引力波探测、超高精度惯性导航、全球气候和重力环境研究。510重力参考传感器的成功开发也标志着中国在这些尖端航空航天领域竞争的开始。(结束)

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