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【文汇报】探测引力波需成就“太极”境界

2019-10-07 文汇报 许琦敏
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  抱朴,守一,静极。

  只有看到它在太空中的样子,才会觉得它与“太极”之名如此般配。

  只有这样的静,才使它能够察觉到宇宙太初黑洞合并时所泛起的、绵延至今的“时空涟漪”——引力波。

  我国首颗引力波探测技术实验卫星“太极一号”8月31日发射升空,并于9月底宣布第一阶段在轨测试任务圆满完成,这标志着我国空间引力波探测迈出第一步。未来半年,它将在轨验证各种创新技术,为其后续的“姐妹星”捕捉引力波探路。

  太空中感知“时空涟漪”,实在太难了!

  2016年引力波的发现,为人类推开了一扇认识宇宙的新窗户。爱因斯坦百年前预言的这扇“窗户”一经打开,立即引发一股全球物理学家探测引力波的热潮。

  尽管大质量黑洞合并所引起的“时空涟漪”相当剧烈,但经过千亿年的时空穿越,现在要探测到它的存在,已十分困难——它所引起的波动只有10-15至10-20米,只相当于一个原子的尺度。

  在地球上,受到重力影响,人类能够探测到的引力波事件十分有限。能否到太空中去寻找引力波的踪迹呢?早在上世纪九十年代,欧美科学家就提出了LISA项目,计划于2034年发射卫星——因为要真正实现空间引力波探测,有太多技术难题需要突破,实在太难了!

  相对于纹丝不动的树叶和花朵,叶动花摇,让我们感知到空气在流动。那什么现象可以让我们得以感知引力波这种时空涟漪的存在呢?

  按照引力波测量原理,引力波经过时,会引起自由悬浮的两个测试质量块(理想情况下可以看成两个质点)之间的光程的变化,科学家们正是通过激光干涉仪来测量这个光程变化,从而反演引力波信号。

  因此,这两个质点需要处于完全“自由悬浮”状态下,最好不受任何外力的影响。同时,卫星还要拥有极其灵敏的仪器设备,能够使测试质量块维持在一个高度平衡的状态:最好杜绝外界一切影响,诸如温度、速度等变化,哪怕监测到极其细微的变化,也能及时微调,确保探测器不受干扰。

  随着近年来空间科学探索的飞速发展,我国科学家提出了 “太极计划”,为人类文明进步贡献更多中国智慧。计划设想分三步走,最终实现在距离地球约5000万千米的绕日轨道上,布置三颗引力波卫星,它们相互距离300万千米,在这三颗星的中心放置两个测试质量块。

  据“太极一号”首席科学家、bt365体育娱乐院士吴岳良介绍,引力波探测卫星要实现十分之一个原子大小位移变化的精确测量,扰动加速度需控制在亿亿分之一重力加速度的水平。

  这显然不是中国目前的技术水平可以达到的,因此先设定一个“小目标”,即对核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证,继而形成在空间探测引力波的技术能力,这就是“太极一号”此行的任务。

  一年挑战三五年的任务,真的做到了!

  2018年8月,“太极一号”正式立项,研制卫星的艰巨任务交给了位于上海浦东张江科学城的bt365体育娱乐微小卫星创新研究院。

  这个成立只有十几年、仅600多人的研究院,迄今已成功完成“北斗”“墨子”“悟空”等百余颗卫星的总体研制任务。不过,当接到“太极一号”的任务书时,科研人员还是不禁倒吸了一口冷气:他们只有一年时间!

  即使在轨时间不长的空间科学卫星,一般的研制周期也需3到5年。根据标准流程,方案完成先要做初样样机,最后才是能够上天的正样。一年时间仅仅只够做方案啊!

  怎么办?院领导精挑细选,组建起一支“铸星突击队”:由经验丰富的60后骨干余金培担任卫星系统总指挥,成功设计过“悟空”暗物质卫星的李华旺担任卫星总设计师,副总设计师曹金和蔡志鸣都是1985年左右出生的青年技术骨干,团队中还有不少人是第一次担任主任设计师,有的甚至刚从大学毕业。整个团队平均年龄只有31岁,除了总指挥是60后,70后只有3人,80后有18人,甚至还有10位90后。

  就算年轻人能突击、能加班,这一年时间怎么够?不能力敌,还需智取。团队骨干经过反复斟酌后,决定优化流程:在保证卫星质量的前提下,将原先“方案—初样—正样”的三步走,直接变成了“方案—正样”。

  余金培说,这绝不是偷工减料。团队针对任务进度紧等特点,优化传统航天工程的做法,引入数字仿真分析代替试验实测,串行流程改适度并行流程,加强星载软件可重构能力,尽量采用型谱化成熟货架产品等,将有限的精力用在刀刃上,终于啃下最硬的技术“骨头”。

  整整一年,这支团队几乎每天工作16至18小时,只在春节休息了三天。当他们如期交付卫星时,吴岳良激动得热泪盈眶:“我从没想过能按时交付。没想到,你们真的做到了!”

  完全没有活动部件的整星,静、稳、准!

  静、稳、准,是“太极一号”最大的三个特点,也意味着最苛刻的技术指标。

  由于引力波引起的物体位移比一个原子直径还小,因此测试质量块“动作”幅度必须比这更小。别说重力,哪怕太阳光压、宇宙射线,对它来说影响都太大了。热胀冷缩更是要不得,连卫星里的机械、电磁活动,都要一律避免。而且,还需要有极其灵敏的仪器负责发现并及时纠正这些偏差。

  这真是“静”出了“太极”的境界。为此,“太极一号”采用了在轨无拖曳控制、微推力技术等一系列世界首创的测量和控制新技术。

  为确保高精度,“铸星突击队”设计出了完全没有活动部件的整星——没有外展的太阳能帆板、没有热管、任务段无滑轮控制或电磁控制部件,以确保对测试质量块的影响在地球重力的十亿分之一以下。同时,他们采用高稳定度热控,确保测试质量块的温度变化不超过千分之四摄氏度。

  由于地面上根本找不到测试环境,“太极一号”就带着这些新设备到距离地面600千米的微重力轨道进行验证。

  9月底,“太极一号”第一阶段在轨测试和数据分析对外发布,结果令人振奋——

  激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级,百皮米仅相当于一个原子直径的大小;

  引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级,这意味着可以测出一只蚂蚁推动“太极一号”卫星产生的加速度;

  微推进器推力分辨率达到亚微牛量级,这表示可精细调节一粒芝麻重量的万分之一大小的推力。

  bt365体育娱乐院士、“太极一号”卫星工程总师王建宇表示,“太极一号”实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量,成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验,并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证,为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。

  然而,目前达到的测量精度离最终目标还相差了四五个数量级。余金培说,只要国家把任务交给他们,就一定会竭尽全力,迎接一切挑战。

  (原载于《文汇报》 2019-10-07 07版)

打印 责任编辑:侯茜

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