510所揭秘“太極一號”引力參考傳感器：從白手起家到在軌應用。“太極一號”成功發(fā)射和第一階段在軌測試任務順利完成，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，為人類文明進步貢獻了“中國智慧”。中國首顆空間引力波探測技術實驗衛(wèi)星“太極一號”已順利完成第一階段在軌測試任務，這也意味著搭載在該衛(wèi)星的核心測量設備“引力參考傳感器”成功實現(xiàn)在軌應用。
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、無拖曳控制等試驗中各項性能指標優(yōu)良、運行正常。
“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備之一，引力參考傳感器由中國航天科技集團有限公司五院五一〇所空間環(huán)境探測載荷中心為主，與中國科學院長春光學與精密機械研究所合作研制。該項目也是510所“70后”“80后”“90后”三代航天人歷時近20年研究的靜電懸浮加速度測量技術首次在軌應用。
2018年7月8日，“太極計劃”共同首席科學家、中科院院士胡文瑞來到510所，提出由該所主導研制中科院空間科學(二期)戰(zhàn)略性先導科技專項首發(fā)星——微重力技術實驗衛(wèi)星(“太極一號”命名前的名稱)的引力參考傳感器。彼時，國內有這一技術長期研究基礎的機構鮮少，從指標和能力來看，510所是國內最優(yōu)秀的團隊之一。
“當時，離衛(wèi)星發(fā)射只有一年時間，技術又非常難，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總監(jiān)、引力參考傳感器技術負責人雷軍剛說，引力波信號極其微弱，實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的極限。
事實上，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之一——高精度靜電懸浮加速度測量技術。團隊在近20年科研成果基礎上，短短1年之內，研制出了“太極一號”核心測量設備——引力參考傳感器。
觸摸宇宙律動“脈搏”發(fā)力爭先國際前沿
“引力波”是近年來科學研究最熱點之一，似乎全世界科學家都對它“情有獨鐘”。中國科學院副院長相里斌曾總結道：引力波提供了有別于電磁波的一個全新觀測宇宙的重要窗口，成為人類探索和認知宇宙的一種新途徑和工具。
20世紀80年代末90年代初開始，國際上不少國家啟動研究這一領域。“2016年，美國科學家在地面探測到引力波。但在此之前，國外其實已有十來個地面引力波探測計劃，因為技術很難，花費很大，只有少部分能堅持下來。”雷軍剛說，當時外界有很多質疑聲音，認為這是“異想天開”。
而在國內，引力波探測領域，自2016年才有了“新的轉機”。雷軍剛認為，“太極一號”標志著中國空間引力波探測從論證進入工程實施階段，而510所一直默默研究近20年的技術，也終于迎來了到天上驗證的“舞臺”。
“太極一號”第一階段在軌測試和數(shù)據(jù)分析結果表明，510所主研的引力參考傳感器測量精度達到地球重力加速度的百億分之一量級，相當于一只螞蟻推“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”，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，甚至是來自地球對衛(wèi)星的反向輻照壓力，相當于去遙遠太空觸摸宇宙律動的“脈搏”，傾聽“時光的漣漪”。
據(jù)悉，該項技術也是未來空間引力波探測、超高精度慣性導航、全球氣候及重力環(huán)境研究等重大和前沿空間科學研究和工程應用領域的關鍵技術。510所引力參考傳感器的成功研制，也標志著中國在此類最前沿的航天高精尖領域開始發(fā)力爭先。
一切從“零”開始 創(chuàng)國內首次
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的骨干人員之一。“這個研究國家之前沒做過，510所國內首先做，難度很大，尤其在地面上性能驗證很難。”他說，當時，資料十分有限，從建模、分析、懸浮、系統(tǒng)敏感結構、控制系統(tǒng)、精密測量系統(tǒng)都是自己反復摸索著做，完全是“白手起家”。
面對科學和工程技術上的新挑戰(zhàn)，510所沒有國內經(jīng)驗可借鑒，只能刻苦攻關，打通技術路線，攻克難題。2008年，510所科研團隊實現(xiàn)了克服1G重力的六自由度地面穩(wěn)定懸浮，該所這項技術當時屬國內首創(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技術有區(qū)別，“上天”前，不僅先要“浮”起來，還必須做到地面懸浮驗證完全可靠，因此采用了更加復雜的數(shù)字反饋控制技術。
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。
“航天是高風險行業(yè)，有些東西地面測不了。我們多次懸浮后把指標測出來，與天上有差距，因為地球在震動。”整機系統(tǒng)設計師王佐磊透露，為減少外界干擾，團隊借用地震局的山洞，前后九次進山洞實驗懸浮。
這么長時間還沒解決!當時，中國科學院的專家也坐不住了，專程坐飛機趕來蘭州分析問題。所幸，就在飛機落地前的當天早上，510所成功實現(xiàn)了新系統(tǒng)的“高壓懸浮”。引力參考傳感器關鍵核心工藝設計師毛俊程笑稱“批斗會變成了慶功會，大家終于過了個好年。”
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