文/ 賀喜梅

▲ 長征四號乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射天琴一號衛(wèi)星

2019年12月20日，伴隨著長征四號乙運(yùn)載火箭的升空，我國“天琴”引力波探測計劃首顆技術(shù)驗證衛(wèi)星——“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星成功啟航，開啟了它的宇宙探索之旅。

“天琴計劃”是由中山大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士羅俊提出，以中國為主導(dǎo)的國際空間引力波探測計劃?！疤烨僖惶枴奔缲?fù)著對無拖曳控制技術(shù)、慣性傳感器技術(shù)、高精度激光干涉測量技術(shù)等進(jìn)行在軌驗證的使命，可謂是空間引力波探測的探路者。

空間引力波，“天琴”啟航，待你奏鳴。

構(gòu)建空間“天文臺”

1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)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(dāng)引力波通過時，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。

2016年年初，美國的LIGO地面應(yīng)力波探測裝置首次直接探測到了引力波，找到了驗證愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖，在國際上掀起了引力波探測研究的熱潮。我國黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人高度重視引力波的研究，習(xí)近平總書記曾做出重要批示，要求研究其戰(zhàn)略價值，努力搶占科技制高點。

為什么地面上都已經(jīng)探測到引力波了，還要到空間去探測呢？

“由于激光干涉測量臂長的限制，地面上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(dá)數(shù)萬公里到數(shù)百萬公里的干涉臂長?！碧烨僖惶柤夹g(shù)試驗衛(wèi)星總設(shè)計師張立華介紹，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。

我國積極謀劃實施空間引力波探測項目，國家航天局面向前沿高精度空間探測共性技術(shù)，批準(zhǔn)了天琴一號衛(wèi)星項目的實施。

“天琴計劃”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。其獲取的數(shù)據(jù)將用于開展引力波、宇宙學(xué)、天文學(xué)等方面的基礎(chǔ)科學(xué)研究。

空間引力波探測帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，很多技術(shù)指標(biāo)高于現(xiàn)有水平數(shù)個量級。因此，必須循序漸進(jìn)、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，再研制能夠在空間探測到引力波的衛(wèi)星系統(tǒng)?！疤烨僖惶枴睋?dān)負(fù)的正是這個使命。

人工營造“純引力”環(huán)境

作為“天琴計劃”的先行軍，“天琴一號”是一顆技術(shù)試驗衛(wèi)星，目的是構(gòu)建空間高精度慣性基準(zhǔn)，驗證相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，為空間引力波探測任務(wù)目標(biāo)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(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，一旦通過激光干涉測距技術(shù)精確檢測到兩顆衛(wèi)星檢驗質(zhì)量之間微弱的距離變化，就具備了探測引力波的能力。

“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，所以對探測的精度要求非常高，激光干涉測距的精度要達(dá)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(jìn)系統(tǒng)，作為無拖曳控制系統(tǒng)的敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時通過高穩(wěn)定的溫度控制、精準(zhǔn)的質(zhì)心控制，為無拖曳控制提供良好的環(huán)境保障。此外，“天琴一號”還配置了高精度激光干涉測量系統(tǒng)，進(jìn)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(biāo)進(jìn)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。”張立華說。

“這只是萬里長征的第一步，離最終實現(xiàn)空間引力波探測目標(biāo)還有很長的路要走。”張立華補(bǔ)充道。

即便如此，這一步的技術(shù)驗證，將為未來技術(shù)發(fā)展提供有價值的參考，是至關(guān)重要的一步。

▲ 微牛級連續(xù)變推力模塊產(chǎn)品副本

▲ 天琴一號衛(wèi)星工作場景

▲ 天琴一號衛(wèi)星團(tuán)隊合影

世界共享科學(xué)數(shù)據(jù)

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(xué)試驗衛(wèi)星的途徑，充分發(fā)揮了國家主管機(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)驗等優(yōu)勢。

在該項目中，國家航天局為工程大總體管理單位，中山大學(xué)為用戶單位，航天東方紅公司為衛(wèi)星總體負(fù)責(zé)單位，試驗載荷分別由中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院等國內(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(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(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(xué)家共同研究。總之，在天琴一號技術(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(xué)、應(yīng)用協(xié)同發(fā)展的新機(jī)制正在形成?！?/p>