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航天510所二十年堅持終獲回報 為我國微重力技術試驗衛星研制核心載荷

2019-10-15 00:00:00 智能朗讀:

引力參考傳感器產品照片

引力參考傳感器產品照片

研制團隊

研制團隊

    蘭州日報社全媒體記者孫理文/圖

    日前,中國科學院科學(二期)戰略性先導科技專項首發星微重力技術實驗衛星進行了首次新聞發布,展示了該衛星成功驗證空間微重力條件下超高精度控制和測量技術的初步成果。其中,該星的核心的測量設備——引力參考傳感器由中國航天科技集團有限公司五院510所與中國科學院長春光學與精密機械研究所合作研制,在衛星開展微重力測量、激光干涉測量、無拖曳控制等試驗中發揮關鍵作用,不僅實現了對極微弱衛星平臺擾動的精確測量,也為衛星的超高精度控制技術驗證成功奠定了堅實基礎。日前,記者采訪了引力參考傳感器傳感器的研制團隊,聽他們講講研制中的“酸甜苦辣”。

    微重力技術實驗衛星核心設備510所研制

    不久前,中國科學院空間科學(二期)戰略性先導科技專項首發星——微重力技術實驗衛星,在酒泉衛星發射中心發射升空。

    空間科學戰略性先導科技專項是中科院“率先行動”計劃的重要組成部分,專項一期部署發射了“悟空”、“墨子”、“實踐十號”等科學衛星。空間科學(二期)先導專項部署了先進天基太陽天文臺、愛因斯坦探針等空間科學衛星計劃。那么,此次發射的微重力技術實驗衛星是用來做什么的呢?

    引力波是物質和能量的劇烈運動和變化所產生的一種物質波。愛因斯坦一個世紀前基于廣義相對論預言了引力波的存在。雙黑洞并合產生的引力波已在2015年首次在地面被直接觀測到。引力波提供了有別于電磁波的一個全新的觀測宇宙的重要窗口,成為人類探索和認識宇宙的新的途徑和手段。不同頻率引力波反映了宇宙的不同時期和不同的天體物理過程。有別于地基探測,在空間能夠探測到中低頻段的引力波信號,能夠發現天體質量更大、距離更遙遠的引力波波源,揭示更為豐富的天體物理過程。

    由于引力波信號極其微弱,實施空間引力波探測挑戰巨大,需要突破目前人類精密測量和控制技術的極限。微重力技術實驗衛星正是瞄準這一重大科技前沿,對這些核心技術的可行性和實現途徑進行在軌驗證。微重力技術實驗衛星第一階段在軌測試和數據分析結果表明,激光干涉儀位移測量精度達到百皮米量級(約為一個原子直徑),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,微推進器推力分辨率達到亞微牛量級。該星的核心的測量設備——引力參考傳感器由510所與長春光機所合作研制,在衛星開展微重力測量、激光干涉測量、無拖曳控制等試驗中發揮關鍵作用,不僅實現了對極微弱衛星平臺擾動的精確測量,也為衛星的超高精度控制技術驗證成功奠定了堅實基礎。

    一年成功的背后是二十年的努力

    引力參考傳感器項目負責人雷軍剛告訴記者,2018年接到中科院光機所合作任務后,在短短一年之內,510所的科研團隊為微重力技術實驗衛星研制了最核心的測量設備——引力參考傳感器,該項目是靜電懸浮加速度測量技術的首次在軌應用,它可以監測到衛星平臺受到的最微小的擾動——無論是來自太陽光照的微弱壓力,還是來自太空里極其稀薄氣體的阻力,甚至是來自地球對衛星的反向輻照壓力。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,也標志著我國在此類最前沿的航天高精尖領域開始發力爭先。“當時我們接到研制引力參考傳感器的任務,并且還是核心載荷,說實話我們整個團隊的壓力非常大。雖說只用了一年的時間就研制成功,但是這一年的背后是團隊成員二十年的努力和付出換來的。”他說。

    引力參考傳感器的研制難在哪里?難就難在該領域國內之前的研究是一片空白,研制團隊可以說是“白手起家”。不過幸運的是自2000年起,510所整個科研團隊就開始了挑戰最精密的空間測量技術之——高精度靜電懸浮加速度測量技術,而這為引力參考傳感器的研制打下了堅實的技術基礎。“當時國內在這一塊還是一片空白,我們根本沒有任何資料,只能靠自己邊摸索邊研究。我們采用地面懸浮測試的技術,在2008年的時候在國內首次在地面達到10-8g的測量精度。”510所陳光鋒博士告訴記者,“這二十年的時間,我們通過相關研究和試驗,建立了完整的靜電懸浮加速度測量系統的相關理論,并研制了模擬系統為主的樣機,在地面進行了相關功能及性能的大量驗證試驗,為工程化的產品研制奠定了堅實的基礎。”這段話聽起來簡單,但是實現起來卻是非常的困難。

    眾所周知衛星上的載荷要求相當精密,引力參考傳感器的一個重要作用就是測量微重力、加速度和微小位移,因此儀器的精密程度更是可以用“嚴苛”來形容。到底有多精密呢?“這個傳感器測到的位移可以精確到10皮米,也就是一個原子直徑十分之一的長度。”主要負責傳感器工藝設計的毛俊程告訴記者。記者看到傳感器的中心是一塊用靜電懸浮起來的質量塊,質量塊中間伸出一根很細的金絲,下面是電子基籠,如果質量塊在空間中受到微小的力產生位移,就可以測出微重力和加速度。“傳感器的裝配難度非常高,質量塊與電子基籠四周的間隙只有20微米,因此裝配的環境要求絕對潔凈,裝配間里0.5微米的顆粒物不得超過3000個,同時還需要很精密的操作。因此我們在檢驗的過程中傳感器經常會出現短路、卡滯等問題,打開傳感器一檢測,可能就是因為一個很小的灰塵粒,就導致幾天的工作白費了,要重新裝配。”毛俊程說。

    科研團隊已成為引力波探測計劃的中堅力量

    耐心、恒心是科研工作的必備條件,吃苦受累和加班更是科研工作者的家常便飯。但是人總會有自己的情緒。在引力參考傳感器的研制過程中,也不是沒有人有過怨言,但是工作起來卻一點也不含糊。引力參考傳感器主要用于空間中的微重力測量、激光干涉測量、無拖曳控制等試驗。雖然在地面上研制成功,并且測量到了地面上的數據,但是到空間環境中會怎么樣誰也不知道。為此510所的科研人員為了模擬空間環境專門借用了地震局用來監測地震的山洞進行測試,“山洞內的環境非常的陰冷潮濕,洞壁上都掛著水滴,為了測到好的準確的數據我們經常在這樣的山洞一呆就是很久。但是發現有些數據還是不能完全模擬空間環境,因此只能通過公式來進行人工測算,然后等傳感器到了空間環境中傳回數據之后進行驗證,而這項工作就是由王佐磊負責的,他的測算數據整整寫滿了幾十頁的稿紙。不久前傳感器的數據傳回,數據與他的測算完全一致。”雷軍剛告訴記者。

    王佐磊從2003年入所就開始從事微重力測試工作,至今已經17年。“剛從事微重力測試工作時,我國還沒開始這項研究,當時工作條件也不好,設備也相對簡陋,一位科研工作者能有幾個17年,這項工作難而且受苦,收入不高還承受很大壓力,在這期間我也有想過放棄,鬧過情緒。整個人很迷茫,很痛苦。”他說,“并不是高精尖的工作大家都會想去做,因為這要付出很多的努力。但是這次成功了之后,我整個人都自信起來了,這讓我看到只要努力奮斗就一定會有收獲。”

    其實王佐磊只是研究團隊中的一個例子,在研制引力參考傳感器一年中,加班對科研團隊成員來說已經是正常工作狀態,只是加班到幾點的問題。“這次傳感器的研制成功和在軌運行良好,說明我們這個團隊是能打硬仗的,我們的付出是完全值得的,也表明了在這個領域我們可以和發達國家相抗衡了。”說著說著毛俊程的聲音有點哽咽,眼眶也開始泛紅。是啊,一年的辛苦讓這支團隊完全的成長了起來,已經成為了我國引力波探測計劃科研隊伍中的中堅力量。相信在未來的引力波探測任務中能更多地看到他們的身影。

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來源: 蘭州新聞網 蘭州日報

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