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【文匯報】探測引力波需成就“太極”境界

2019-10-07 文匯報 許琦敏
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  抱樸,守一,靜極。

  只有看到它在太空中的樣子,才會覺得它與“太極”之名如此般配。

  只有這樣的靜,才使它能夠察覺到宇宙太初黑洞合并時所泛起的、綿延至今的“時空漣漪”——引力波。

  我國首顆引力波探測技術實驗衛星“太極一號”8月31日發射升空,并于9月底宣布第一階段在軌測試任務圓滿完成,這標志著我國空間引力波探測邁出第一步。未來半年,它將在軌驗證各種創新技術,為其后續的“姐妹星”捕捉引力波探路。

  太空中感知“時空漣漪”,實在太難了!

  2016年引力波的發現,為人類推開了一扇認識宇宙的新窗戶。愛因斯坦百年前預言的這扇“窗戶”一經打開,立即引發一股全球物理學家探測引力波的熱潮。

  盡管大質量黑洞合并所引起的“時空漣漪”相當劇烈,但經過千億年的時空穿越,現在要探測到它的存在,已十分困難——它所引起的波動只有10-15至10-20米,只相當于一個原子的尺度。

  在地球上,受到重力影響,人類能夠探測到的引力波事件十分有限。能否到太空中去尋找引力波的蹤跡呢?早在上世紀九十年代,歐美科學家就提出了LISA項目,計劃于2034年發射衛星——因為要真正實現空間引力波探測,有太多技術難題需要突破,實在太難了!

  相對于紋絲不動的樹葉和花朵,葉動花搖,讓我們感知到空氣在流動。那什么現象可以讓我們得以感知引力波這種時空漣漪的存在呢?

  按照引力波測量原理,引力波經過時,會引起自由懸浮的兩個測試質量塊(理想情況下可以看成兩個質點)之間的光程的變化,科學家們正是通過激光干涉儀來測量這個光程變化,從而反演引力波信號。

  因此,這兩個質點需要處于完全“自由懸浮”狀態下,最好不受任何外力的影響。同時,衛星還要擁有極其靈敏的儀器設備,能夠使測試質量塊維持在一個高度平衡的狀態:最好杜絕外界一切影響,諸如溫度、速度等變化,哪怕監測到極其細微的變化,也能及時微調,確保探測器不受干擾。

  隨著近年來空間科學探索的飛速發展,我國科學家提出了 “太極計劃”,為人類文明進步貢獻更多中國智慧。計劃設想分三步走,最終實現在距離地球約5000萬千米的繞日軌道上,布置三顆引力波衛星,它們相互距離300萬千米,在這三顆星的中心放置兩個測試質量塊。

  據“太極一號”首席科學家、中國科學院院士吳岳良介紹,引力波探測衛星要實現十分之一個原子大小位移變化的精確測量,擾動加速度需控制在億億分之一重力加速度的水平。

  這顯然不是中國目前的技術水平可以達到的,因此先設定一個“小目標”,即對核心技術的可行性和實現途徑進行在軌驗證,繼而形成在空間探測引力波的技術能力,這就是“太極一號”此行的任務。

  一年挑戰三五年的任務,真的做到了!

  2018年8月,“太極一號”正式立項,研制衛星的艱巨任務交給了位于上海浦東張江科學城的中國科學院微小衛星創新研究院。

  這個成立只有十幾年、僅600多人的研究院,迄今已成功完成“北斗”“墨子”“悟空”等百余顆衛星的總體研制任務。不過,當接到“太極一號”的任務書時,科研人員還是不禁倒吸了一口冷氣:他們只有一年時間!

  即使在軌時間不長的空間科學衛星,一般的研制周期也需3到5年。根據標準流程,方案完成先要做初樣樣機,最后才是能夠上天的正樣。一年時間僅僅只夠做方案啊!

  怎么辦?院領導精挑細選,組建起一支“鑄星突擊隊”:由經驗豐富的60后骨干余金培擔任衛星系統總指揮,成功設計過“悟空”暗物質衛星的李華旺擔任衛星總設計師,副總設計師曹金和蔡志鳴都是1985年左右出生的青年技術骨干,團隊中還有不少人是第一次擔任主任設計師,有的甚至剛從大學畢業。整個團隊平均年齡只有31歲,除了總指揮是60后,70后只有3人,80后有18人,甚至還有10位90后。

  就算年輕人能突擊、能加班,這一年時間怎么夠?不能力敵,還需智取。團隊骨干經過反復斟酌后,決定優化流程:在保證衛星質量的前提下,將原先“方案—初樣—正樣”的三步走,直接變成了“方案—正樣”。

  余金培說,這絕不是偷工減料。團隊針對任務進度緊等特點,優化傳統航天工程的做法,引入數字仿真分析代替試驗實測,串行流程改適度并行流程,加強星載軟件可重構能力,盡量采用型譜化成熟貨架產品等,將有限的精力用在刀刃上,終于啃下最硬的技術“骨頭”。

  整整一年,這支團隊幾乎每天工作16至18小時,只在春節休息了三天。當他們如期交付衛星時,吳岳良激動得熱淚盈眶:“我從沒想過能按時交付。沒想到,你們真的做到了!”

  完全沒有活動部件的整星,靜、穩、準!

  靜、穩、準,是“太極一號”最大的三個特點,也意味著最苛刻的技術指標。

  由于引力波引起的物體位移比一個原子直徑還小,因此測試質量塊“動作”幅度必須比這更小。別說重力,哪怕太陽光壓、宇宙射線,對它來說影響都太大了。熱脹冷縮更是要不得,連衛星里的機械、電磁活動,都要一律避免。而且,還需要有極其靈敏的儀器負責發現并及時糾正這些偏差。

  這真是“靜”出了“太極”的境界。為此,“太極一號”采用了在軌無拖曳控制、微推力技術等一系列世界首創的測量和控制新技術。

  為確保高精度,“鑄星突擊隊”設計出了完全沒有活動部件的整星——沒有外展的太陽能帆板、沒有熱管、任務段無滑輪控制或電磁控制部件,以確保對測試質量塊的影響在地球重力的十億分之一以下。同時,他們采用高穩定度熱控,確保測試質量塊的溫度變化不超過千分之四攝氏度。

  由于地面上根本找不到測試環境,“太極一號”就帶著這些新設備到距離地面600千米的微重力軌道進行驗證。

  9月底,“太極一號”第一階段在軌測試和數據分析對外發布,結果令人振奮——

  激光干涉儀位移測量精度達到百皮米量級,百皮米僅相當于一個原子直徑的大小;

  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,這意味著可以測出一只螞蟻推動“太極一號”衛星產生的加速度;

  微推進器推力分辨率達到亞微牛量級,這表示可精細調節一粒芝麻重量的萬分之一大小的推力。

  中國科學院院士、“太極一號”衛星工程總師王建宇表示,“太極一號”實現了我國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量,成功進行了我國首次在軌無拖曳控制技術試驗,并在國際上首次實現了微牛級射頻離子和雙模霍爾電推進技術的在軌驗證,為我國在空間引力波探測領域率先取得突破奠定了基礎。

  然而,目前達到的測量精度離最終目標還相差了四五個數量級。余金培說,只要國家把任務交給他們,就一定會竭盡全力,迎接一切挑戰。

  (原載于《文匯報》 2019-10-07 07版)

打印 責任編輯:侯茜

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