“太极一号”研制真的“太急” 年轻团队一年时间让“不可能”成为“中国首次”
2019-10-03

       新民1.jpg

              图说:研制团队工作中 采访对象供图(下同)

       2019年8月31日,中科院空间科学(二期)战略性先导科技专项首发星在酒泉卫星发射中心成功发射。在太空遨游20天后,我国首颗空间引力波探测技术实验卫星等到了自己的大名:“太极一号”。它的“体检报告”也显示,卫星状态正常,各项测试结果正常,第一阶段在轨测试任务顺利完成。

       中国科学院微小卫星创新研究院,这支此前完成“悟空”“墨子”等大名鼎鼎卫星研制任务的队伍,再次迎难而上,仅用一年时间就完成了“太极一号”的研制。国庆节前,青年人聚集起来,唱响《我和我的祖国》,激昂的歌声饱含着他们“承国家之志,铸时代新星”的初心——这十个大字不仅刻在研究院的墙上,更深深刻在他们心中。

       打开探索宇宙新途径

       要说这几年物理界的“网红”,引力波当仁不让。这种物质和能量剧烈运动和变化所产生的物质波,提供了有别于电磁波的一个全新的宇宙观测窗口,是人类探索和认识宇宙的新途径和新手段。

       一个多世纪前,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。可直到2015年,双黑洞并合产生的引力波才在地面被首次观测。“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,可揭示更为丰富的天体物理过程。”卫星系统总指挥余金培研究员介绍。

     新民2.jpg

       愿景很美好,可做起来谈何容易。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。

       卫星创新院领导非常重视“太极一号”卫星的研制,去年8月,一支平均年龄不到31岁的“铸星突击队”成立了,由卫星系统总指挥余金培、总设计师李华旺两位经验丰富的研究员带队,以“80后”为主,开始了“太极一号”的研制。 “大家真的一心扑在项目研制中,几乎将所有可支配时间都花卫星研制上,几乎全年无休”卫星系统副总设计师蔡志鸣告诉记者,“我们团队经常在家人入睡后才下班,家人醒来前又出门了。”总体主任设计师侍行剑在他女儿3个月大的时候接到任务,每天回家基本只能看到女儿的睡容,一直到发射成功后才逐渐回归家庭。由于进度紧张,在整星重大节点前,侍行剑不得不拼命地准备文件和材料,最紧张的一次他三天才睡了8个钟头。

       测出蚂蚁推动卫星的加速度

空间引力波探测所涉及的核心技术包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、超稳超静无拖曳控制、微牛级推进器等,“太极一号”正是瞄准这一重大科技前沿目标,对这些核心技术的可行性和实现途径开展了在轨实验验证。

     “卫星在太空会受到极小的非保守力,例如太阳照射在卫星上的光压,稀薄大气阻力,这些力都需要我们能够测量出并想办法做到无拖曳。”卫星系统总设计师李华旺研究员说。如引力参考传感器,其测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级,相当于一只蚂蚁推动“太极一号”卫星产生的加速度。

       如果要用三个字归纳“太极一号”的技术特点,或许没有比“静、精、稳”更贴切的了。在轨验证数据表明,高精度空间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;而微推进器推力分辨率达到亚微牛量级,相当于一粒芝麻重量的万分之一。

    “在轨测量结果表明卫星的质量重心和引力参考传感器的质心偏差没有超过1毫米!”李华旺很是骄傲。微小卫星人的目标可不止于此,他们将目标瞄向了质心、压心、自引力中心的“三心合一”。 

      年轻人挑起大梁

       一年时间完成卫星的研制,在很多人看来无异于天方夜谭。总指挥余金培道出了其中的两点秘诀:“首先,我们尽量利用已有的成熟技术减少前期的验证环节——一些传统流程需要实验验证的通过数字仿真来完成。其次,我们在队伍建设上不拘一格,年轻人成为核心骨干,保证了队伍的战斗力。”

      微重力2.JPG

       侍行剑作为总体主任设计师,总能为团队补缺。有效载荷光机电热接口复杂,他对各个状态了熟于胸;载荷数据解包困难,他编写的数据处理软件解了燃眉之急;科学团队急需数据解析,他迅速完成科学数据解析程序,获取具有物理意义的数据供分析。

       无拖曳控制是实现空间引力波探测的关键技术之一,也是迈入空间引力波探测“宫殿”的最后一道大门。如何实现国内首次在轨无拖曳控制技术实验,曾让无拖曳与姿控分系统主任设计师胡志强一度焦头烂额。在国内没有研制先例的情况下,胡志强和郭登帅、李昭等年轻博士一起,广泛查阅国外文献,潜心研究无拖曳控制算法,不断仿真验证,基于多种先进微推技术,终于在轨交出一份完美的答卷。

       研制团队唯一的“巾帼英雄”刘红担任热控分系统主任设计师。由于常规热管的液体流动会产生噪声,必须另辟蹊径。她虚心请教前辈专家,不断打磨优化方案,通过地面实验模拟验证和仿真计算复核,最终敲定了精控方案,在太空中实现了我国首次毫K级温控,为引力波的后续探测温控技术奠定了基础。

      “三步走”实现弯道超车

       从零到一,微小卫星创新院用一年时间完成了突破。但要实现空间引力波探测,大家都清楚,前路漫漫。

       据余金培介绍,中科院从2008年开始前瞻论证我国空间引力波探测的可行性,经过多年科学前沿研究,提出了我国空间引力波探测“太极计划”,确定了“单星、双星、三星”“三步走”的发展战略和路线图。按照“太极计划”,我国将于2023年后发射“太极二号”双星,对绝大部分关键技术进行较高指标在轨搭载验证;2033年左右发射“太极三号”三星,探测0.1m~1Hz频段引力波。

       弯道超车,无论在体育竞技场还是科研高峰,都意味着日复一日的磨练,中国科学家与卫星研制团队有信心在空间引力波探测领域,迈向国际前沿。

来源:新民晚报记者 郜阳