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航天510所二十年坚持终获回报 为我国微重力技术试验卫星研制核心载荷

2019-10-15 00:00:00 智能朗读:

引力参考传感器产品照片

引力参考传感器产品照片

研制团队

研制团队

    兰州日报社全媒体记者孙理文/图

    日前,中国科学院科学(二期)战略性先导科技专项首发星微重力技术实验卫星进行了首次新闻发布,展示了该卫星成功验证空间微重力条件下超高精度控制和测量技术的初步成果。其中,该星的核心的测量设备——引力参考传感器由中国航天科技集团有限公司五院510所与中国科学院长春光学与精密机械研究所合作研制,在卫星开展微重力测量、激光干涉测量、无拖曳控制等试验中发挥关键作用,不仅实现了对极微弱卫星平台扰动的精确测量,也为卫星的超高精度控制技术验证成功奠定了坚实基础。日前,记者采访了引力参考传感器传感器的研制团队,听他们讲讲研制中的“酸甜苦辣”。

    微重力技术实验卫星核心设备510所研制

    不久前,中国科学院空间科学(二期)战略性先导科技专项首发星——微重力技术实验卫星,在酒泉卫星发射中心发射升空。

    空间科学战略性先导科技专项是中科院“率先行动”计划的重要组成部分,专项一期部署发射了“悟空”、“墨子”、“实践十号”等科学卫星。空间科学(二期)先导专项部署了先进天基太阳天文台、爱因斯坦探针等空间科学卫星计划。那么,此次发射的微重力技术实验卫星是用来做什么的呢?

    引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波。爱因斯坦一个世纪前基于广义相对论预言了引力波的存在。双黑洞并合产生的引力波已在2015年首次在地面被直接观测到。引力波提供了有别于电磁波的一个全新的观测宇宙的重要窗口,成为人类探索和认识宇宙的新的途径和手段。不同频率引力波反映了宇宙的不同时期和不同的天体物理过程。有别于地基探测,在空间能够探测到中低频段的引力波信号,能够发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源,揭示更为丰富的天体物理过程。

    由于引力波信号极其微弱,实施空间引力波探测挑战巨大,需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。微重力技术实验卫星正是瞄准这一重大科技前沿,对这些核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证。微重力技术实验卫星第一阶段在轨测试和数据分析结果表明,激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级(约为一个原子直径),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,微推进器推力分辨率达到亚微牛量级。该星的核心的测量设备——引力参考传感器由510所与长春光机所合作研制,在卫星开展微重力测量、激光干涉测量、无拖曳控制等试验中发挥关键作用,不仅实现了对极微弱卫星平台扰动的精确测量,也为卫星的超高精度控制技术验证成功奠定了坚实基础。

    一年成功的背后是二十年的努力

    引力参考传感器项目负责人雷军刚告诉记者,2018年接到中科院光机所合作任务后,在短短一年之内,510所的科研团队为微重力技术实验卫星研制了最核心的测量设备——引力参考传感器,该项目是静电悬浮加速度测量技术的首次在轨应用,它可以监测到卫星平台受到的最微小的扰动——无论是来自太阳光照的微弱压力,还是来自太空里极其稀薄气体的阻力,甚至是来自地球对卫星的反向辐照压力。该项技术也是未来空间引力波探测、超高精度惯性导航、全球气候及重力环境研究等重大和前沿空间科学研究和工程应用领域的关键技术。510所引力参考传感器的成功研制,也标志着我国在此类最前沿的航天高精尖领域开始发力争先。“当时我们接到研制引力参考传感器的任务,并且还是核心载荷,说实话我们整个团队的压力非常大。虽说只用了一年的时间就研制成功,但是这一年的背后是团队成员二十年的努力和付出换来的。”他说。

    引力参考传感器的研制难在哪里?难就难在该领域国内之前的研究是一片空白,研制团队可以说是“白手起家”。不过幸运的是自2000年起,510所整个科研团队就开始了挑战最精密的空间测量技术之——高精度静电悬浮加速度测量技术,而这为引力参考传感器的研制打下了坚实的技术基础。“当时国内在这一块还是一片空白,我们根本没有任何资料,只能靠自己边摸索边研究。我们采用地面悬浮测试的技术,在2008年的时候在国内首次在地面达到10-8g的测量精度。”510所陈光锋博士告诉记者,“这二十年的时间,我们通过相关研究和试验,建立了完整的静电悬浮加速度测量系统的相关理论,并研制了模拟系统为主的样机,在地面进行了相关功能及性能的大量验证试验,为工程化的产品研制奠定了坚实的基础。”这段话听起来简单,但是实现起来却是非常的困难。

    众所周知卫星上的载荷要求相当精密,引力参考传感器的一个重要作用就是测量微重力、加速度和微小位移,因此仪器的精密程度更是可以用“严苛”来形容。到底有多精密呢?“这个传感器测到的位移可以精确到10皮米,也就是一个原子直径十分之一的长度。”主要负责传感器工艺设计的毛俊程告诉记者。记者看到传感器的中心是一块用静电悬浮起来的质量块,质量块中间伸出一根很细的金丝,下面是电子基笼,如果质量块在空间中受到微小的力产生位移,就可以测出微重力和加速度。“传感器的装配难度非常高,质量块与电子基笼四周的间隙只有20微米,因此装配的环境要求绝对洁净,装配间里0.5微米的颗粒物不得超过3000个,同时还需要很精密的操作。因此我们在检验的过程中传感器经常会出现短路、卡滞等问题,打开传感器一检测,可能就是因为一个很小的灰尘粒,就导致几天的工作白费了,要重新装配。”毛俊程说。

    科研团队已成为引力波探测计划的中坚力量

    耐心、恒心是科研工作的必备条件,吃苦受累和加班更是科研工作者的家常便饭。但是人总会有自己的情绪。在引力参考传感器的研制过程中,也不是没有人有过怨言,但是工作起来却一点也不含糊。引力参考传感器主要用于空间中的微重力测量、激光干涉测量、无拖曳控制等试验。虽然在地面上研制成功,并且测量到了地面上的数据,但是到空间环境中会怎么样谁也不知道。为此510所的科研人员为了模拟空间环境专门借用了地震局用来监测地震的山洞进行测试,“山洞内的环境非常的阴冷潮湿,洞壁上都挂着水滴,为了测到好的准确的数据我们经常在这样的山洞一呆就是很久。但是发现有些数据还是不能完全模拟空间环境,因此只能通过公式来进行人工测算,然后等传感器到了空间环境中传回数据之后进行验证,而这项工作就是由王佐磊负责的,他的测算数据整整写满了几十页的稿纸。不久前传感器的数据传回,数据与他的测算完全一致。”雷军刚告诉记者。

    王佐磊从2003年入所就开始从事微重力测试工作,至今已经17年。“刚从事微重力测试工作时,我国还没开始这项研究,当时工作条件也不好,设备也相对简陋,一位科研工作者能有几个17年,这项工作难而且受苦,收入不高还承受很大压力,在这期间我也有想过放弃,闹过情绪。整个人很迷茫,很痛苦。”他说,“并不是高精尖的工作大家都会想去做,因为这要付出很多的努力。但是这次成功了之后,我整个人都自信起来了,这让我看到只要努力奋斗就一定会有收获。”

    其实王佐磊只是研究团队中的一个例子,在研制引力参考传感器一年中,加班对科研团队成员来说已经是正常工作状态,只是加班到几点的问题。“这次传感器的研制成功和在轨运行良好,说明我们这个团队是能打硬仗的,我们的付出是完全值得的,也表明了在这个领域我们可以和发达国家相抗衡了。”说着说着毛俊程的声音有点哽咽,眼眶也开始泛红。是啊,一年的辛苦让这支团队完全的成长了起来,已经成为了我国引力波探测计划科研队伍中的中坚力量。相信在未来的引力波探测任务中能更多地看到他们的身影。

来源: 兰州新闻网 兰州日报

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