空間引力波探測(cè)航天器關(guān)鍵技術(shù)分析

胡越欣 張立華 高永 魏然 譚定銀 段會(huì)宗 王麗嬌

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(2 北京控制工程研究所，北京 100094)(3 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(4 華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，武漢 430074)(5 中山大學(xué) 天琴中心，廣東珠海 519082)

2016年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)地面引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)宣布首次探測(cè)到引力波，人類進(jìn)入利用引力波來(lái)探測(cè)宇宙的全新時(shí)期。LIGO通過(guò)在地面建設(shè)大型激光干涉儀探測(cè)引力波，每條激光臂長(zhǎng)4 km，主要用于探測(cè)太陽(yáng)質(zhì)量大小的恒星級(jí)黑洞并合產(chǎn)生的10 Hz～1 kHz頻段引力波[1]。更低頻的由百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量級(jí)別的超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的毫赫茲附近頻段的引力波，則需要臂長(zhǎng)為10萬(wàn)千米級(jí)別的激光干涉儀進(jìn)行探測(cè)。這時(shí)，只能將整個(gè)探測(cè)器放置到太空中，進(jìn)行空間引力波探測(cè)。因此，空間引力波探測(cè)具有比地面探測(cè)更豐富的波源和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，其科學(xué)研究前景巨大。

空間引力波探測(cè)的前景伴隨著空前的技術(shù)挑戰(zhàn)?？臻g引力波探測(cè)對(duì)各方面技術(shù)指標(biāo)的極高要求，需要解決一系列新問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面。首先，空間引力波探測(cè)利用若干個(gè)參考物體(稱為檢驗(yàn)質(zhì)量)的自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)勾畫出背景時(shí)空的曲率特征。因此，空間引力波探測(cè)要求各個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量只在引力的影響下運(yùn)動(dòng)。在真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境中，任何一個(gè)物體都不可能只受引力的影響，因此必須將其他非引力因素的干擾消減或補(bǔ)償?shù)娇山邮艿姆秶鷥?nèi)。其次，空間引力波探測(cè)中檢驗(yàn)質(zhì)量被放置到十幾萬(wàn)到上百萬(wàn)千米的間距上，再利用激光測(cè)量?jī)烧唛g距離的變化。激光光束經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播，再加上航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的效應(yīng)，光束的特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，如光功率衰減、激光頻率漂移、波前畸變等。這類變化的效應(yīng)在其他試驗(yàn)中通常可以被忽略掉，但是對(duì)于空間引力波探測(cè)而言，則需要充分加以考慮。再次，典型的空間引力波探測(cè)方案都要求采用3個(gè)以上航天器并保持高精度的編隊(duì)。在這個(gè)過(guò)程中，既要保證航天器間激光鏈路的精確指向，又必須抑制不等臂長(zhǎng)干涉測(cè)量所引入的測(cè)量噪聲。因此，需要航天器平臺(tái)軌道與姿態(tài)控制、無(wú)拖曳控制、器間光束指向測(cè)控等幾個(gè)方面之間的高度協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)(或更多個(gè))航天器的幾十個(gè)動(dòng)力學(xué)自由度的自主協(xié)同控制。最后，為了配合高精度慣性基準(zhǔn)、高精度器間激光干涉測(cè)量，以及高精度大型航天器編隊(duì)的實(shí)現(xiàn)，航天器平臺(tái)本身需要具體苛刻的性能特性和高精度控制能力，比如需要具備極強(qiáng)的溫度控制能力和熱穩(wěn)定性、磁環(huán)境控制能力和極低的結(jié)構(gòu)噪聲等。

空間引力波探測(cè)的核心技術(shù)是在建立高精度空間慣性基準(zhǔn)平臺(tái)上進(jìn)行高精度的器間激光干涉測(cè)量，也就是建立超靜超穩(wěn)的高精度空間慣性基準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)高精度激光干涉測(cè)量。本文針對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度空間慣性基準(zhǔn)平臺(tái)與高精度激光干涉測(cè)量所需的航天器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)天琴一號(hào)在軌完成的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)進(jìn)行了介紹，最后給出了關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議。

1 空間引力波探測(cè)航天器計(jì)劃

在國(guó)際空間引力波探測(cè)領(lǐng)域，空間引力波探測(cè)計(jì)劃主要包絡(luò)歐洲激光干涉儀空間天線(LISA)計(jì)劃[2-3]，日本分赫茲干涉引力波天文臺(tái)(DECIGO)計(jì)劃[4]，中國(guó)天琴計(jì)劃[5]和太極計(jì)劃[6]?？臻g引力波探測(cè)任務(wù)均采用3個(gè)航天器構(gòu)成三角形編隊(duì)，航天器之間保持一定的距離，根據(jù)測(cè)量波段的選擇，航天器間的距離從幾千千米到上億千米不等，通過(guò)高精度慣性傳感器測(cè)量作為非保守力敏感器，微牛級(jí)變推力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳控制消除非保守力帶來(lái)的干擾因素，并通過(guò)高精度的激光干涉測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間引力波信號(hào)的探測(cè)。測(cè)量頻段通常在0.1 mHz～1.0 Hz，慣性敏感器的測(cè)量精度達(dá)到1×10-15m/(s2·Hz1/2)，航天器間激光測(cè)距精度在數(shù)十萬(wàn)千米到數(shù)百萬(wàn)千米距離上達(dá)到10-12mHz1/2量級(jí)[7]。

在LISA計(jì)劃中，2034年將發(fā)射3個(gè)完全相同的無(wú)拖曳控制航天器組成編隊(duì)，每個(gè)航天器各自按類地球軌道繞太陽(yáng)飛行。3個(gè)航天器兩兩間距離約為250萬(wàn)千米，落后地球約為20°，航天器組成的平面與黃道面夾角約為60°。3個(gè)航天器組成3個(gè)非獨(dú)立的夾角約為60°的邁科爾遜干涉儀，用來(lái)測(cè)量航天器間由引力波引起的距離變化。每個(gè)航天器同時(shí)裝載2個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量，作為3個(gè)邁科爾遜干涉儀的端點(diǎn)及無(wú)拖曳航天器所需的慣性傳感器。LISA主要探測(cè)0.1 mHz～1.0 Hz頻段內(nèi)的引力波[8]，示意見(jiàn)圖1。

圖1 空間引力波探測(cè)LISA計(jì)劃

日本在2001年提出了空間引力波探測(cè)DECIGO任務(wù)概念。其主要目標(biāo)是探測(cè)中頻引力波(0.1～10.0 Hz)，填補(bǔ)LISA與地面引力波探測(cè)裝置之間的頻率空白。DECIGO包含3個(gè)干涉臂，每個(gè)干涉臂長(zhǎng)1000 km，鏡面直徑1 m。DECIGO與LISA等空間引力波探測(cè)方案的重大區(qū)別是采用F-P腔模式的激光干涉臂[4]。DECIGO原計(jì)劃2020年中期發(fā)射，目前有較大延后，沒(méi)有進(jìn)一步明確的發(fā)射時(shí)間表。

中國(guó)天琴計(jì)劃預(yù)計(jì)于2035年發(fā)射3顆相同的衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)等邊三角形編隊(duì)，每顆衛(wèi)星內(nèi)部包含完全懸浮起來(lái)的參考物體。衛(wèi)星將進(jìn)行高精度無(wú)拖曳控制，以抵消太陽(yáng)風(fēng)或太陽(yáng)光壓等造成的細(xì)微非引力擾動(dòng)，從而保證參考物體只在引力的作用下運(yùn)動(dòng)。高精度的激光干涉測(cè)量技術(shù)將被用來(lái)記錄參考物體之間的細(xì)微距離變化，用于獲得有關(guān)引力波的信息。天琴計(jì)劃的3顆衛(wèi)星將在以地球?yàn)橹行摹⒏叨燃s10萬(wàn)千米的軌道上運(yùn)行[9]，示意見(jiàn)圖2。

圖2 空間引力波探測(cè)天琴計(jì)劃

中國(guó)太極計(jì)劃，在軌道構(gòu)型、臂長(zhǎng)選取等各個(gè)方面都與歐洲LISA非常接近。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外空間引力波探測(cè)計(jì)劃的研究，高精度的激光干涉測(cè)距是獲取空間引力波信號(hào)的基本手段，航天器的內(nèi)部檢驗(yàn)質(zhì)量在空間中沿測(cè)地線運(yùn)動(dòng)是空間引力波探測(cè)的基本條件。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要為激光測(cè)距提供一個(gè)超靜超穩(wěn)的航天器平臺(tái)，控制檢驗(yàn)質(zhì)量受到的外界干擾水平并保證激光干涉測(cè)距與慣性傳感器測(cè)量的超高精度。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 航天器各關(guān)鍵技術(shù)分析與指標(biāo)分解

為了實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)，航天器研制還有許多技術(shù)難點(diǎn)需要解決，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

(1)構(gòu)建一個(gè)超靜航天器平臺(tái)，可以保證航天器內(nèi)部的檢驗(yàn)質(zhì)量在近純引力的影響下運(yùn)動(dòng)，將其他非引力因素和干擾抑制或補(bǔ)償?shù)揭粋€(gè)可以接受的范圍，這樣可以通過(guò)若干個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量的自由落地運(yùn)動(dòng)勾畫出背景時(shí)空的曲率特征。

(2)通過(guò)激光干涉測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)千米間精確測(cè)量出2個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量的微小位移變化，要求航天器平臺(tái)提供一個(gè)超穩(wěn)的測(cè)量平臺(tái)，確保激光干涉測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出的微小位移變化確實(shí)由引力波引起。

(3)保證3個(gè)航天器構(gòu)成并保持高精度的編隊(duì)或星座，實(shí)現(xiàn)高精度的軌道測(cè)量、確定和控制。為此，需要實(shí)現(xiàn)高精度的航天器姿態(tài)控制和無(wú)拖曳控制技術(shù)，并與高精度的器間光束指向控制等諸多方面協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)多自由度條件下對(duì)航天器的自主協(xié)同控制。

(4)實(shí)現(xiàn)高精度慣性基準(zhǔn)、高精度器間激光干涉測(cè)量及高精度編隊(duì)飛行，需要超穩(wěn)航天器平臺(tái)具備超強(qiáng)的溫控能力與熱穩(wěn)定性，超低的結(jié)構(gòu)噪聲和超高的機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性，另外，在磁穩(wěn)定性上也有極高的要求。

通過(guò)以上分析，要實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)，航天器平臺(tái)需要達(dá)到以下指標(biāo)：①航天器激光干涉測(cè)距方向的無(wú)拖曳控制要使檢驗(yàn)質(zhì)量處的加速度噪聲水平控制在10-15m/(s2·Hz1/2)量級(jí)；②航天器關(guān)鍵部位熱穩(wěn)定度需要達(dá)到10-6K/Hz1/2量級(jí)；③航天器間指向控制精度達(dá)到10 nrad；④航天器內(nèi)部檢驗(yàn)質(zhì)量處磁場(chǎng)控制達(dá)到10 μT；⑤航天器自引力控制要達(dá)到1 nm/s2。目前，國(guó)內(nèi)外已有的航天器平臺(tái)與上述指標(biāo)相比，基本存在1個(gè)甚至幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，本文從頂層出發(fā)將上述技術(shù)指標(biāo)拆解為航天器平臺(tái)需要深入研究和攻關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具體如下。

(1)無(wú)拖曳與姿態(tài)控制技術(shù)。無(wú)拖曳技術(shù)是實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，需要精確測(cè)量出非保守力并基于自適應(yīng)、智能等控制方法利用微牛級(jí)可變推力系統(tǒng)消除非保守力對(duì)航天器的影響，檢驗(yàn)質(zhì)量處的加速度噪聲水平控制在10-15m/(s2·Hz1/2)量級(jí)，使3個(gè)航天器激光干涉臂相互對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到10 nrad水平。

(2)連續(xù)可調(diào)微推進(jìn)技術(shù)。作為完成無(wú)拖曳與姿態(tài)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，航天器在軌會(huì)受到太陽(yáng)光壓等環(huán)境干擾力的影響，這些干擾力都是微牛級(jí)的，并且具有連續(xù)變化的特點(diǎn)，為了達(dá)到檢驗(yàn)質(zhì)量處的加速度噪聲水平控制在10-15m/(s2·Hz1/2)量級(jí)，完成空間引力波探測(cè)的連續(xù)可調(diào)推進(jìn)需要達(dá)到0.1 μN(yùn)的分辨率和噪聲控制。

(3)超穩(wěn)定材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)。要使3個(gè)航天器激光干涉臂相互對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到10 nrad，在完成高精度航天器姿態(tài)控制的前提下，必須要求航天器擁有良好的機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性，使由于結(jié)構(gòu)形變引入的指向偏差滿足空間引力波探測(cè)要求。

(4)超穩(wěn)定溫度控制技術(shù)。高精度激光干涉測(cè)量系統(tǒng)與慣性測(cè)量敏感器的測(cè)量精度對(duì)穩(wěn)定性要求極高，按照空間引力波探測(cè)需求，光學(xué)平臺(tái)等關(guān)鍵部位的溫度穩(wěn)定控制水平要達(dá)到10-6K/Hz1/2量級(jí)，必須發(fā)展新的熱控方法與手段解決超高精度控制問(wèn)題。高精度熱控問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，要從軌道選擇、機(jī)構(gòu)布局、工作模式設(shè)計(jì)等方面統(tǒng)籌考慮，保證內(nèi)外熱流的穩(wěn)定性。

(5)航天器質(zhì)心及自引力控制技術(shù)。航天器自身的引力作用會(huì)增加檢驗(yàn)質(zhì)量測(cè)量頻段的加速度噪聲，因此要以檢驗(yàn)質(zhì)量為中心進(jìn)行自引力精細(xì)設(shè)計(jì)，保證檢驗(yàn)質(zhì)量盡可能地靠近航天器的質(zhì)心，同時(shí)增加質(zhì)心調(diào)節(jié)手段完善在軌質(zhì)心標(biāo)定技術(shù)，確保自引力引入的加速度噪聲滿足空間引力波探測(cè)需求。

目前，許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)空間引力波探測(cè)航天器關(guān)鍵技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，天琴計(jì)劃采取分步走的措施進(jìn)行漸進(jìn)式的攻關(guān)，具有代表意義。

2.2 天琴一號(hào)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

空間引力波探測(cè)技術(shù)難度大，許多關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)離現(xiàn)實(shí)還有巨大差距，因此需要進(jìn)行分步走的策略完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。天琴計(jì)劃中的第1顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星天琴一號(hào)作為驗(yàn)證空間引力波探測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)衛(wèi)星，在2019年12月20日成功發(fā)射，其主要目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)高精度慣性基準(zhǔn)并對(duì)空間引力波探測(cè)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，具體包括：①無(wú)拖曳控制技術(shù)；②高精度慣性測(cè)量技術(shù)；③微牛級(jí)連續(xù)可調(diào)微推進(jìn)技術(shù)；④高穩(wěn)定溫度控制技術(shù)；⑤高穩(wěn)定質(zhì)心控制技術(shù)。

天琴一號(hào)衛(wèi)星包括平臺(tái)和試驗(yàn)載荷兩大部分，見(jiàn)圖3。其中：平臺(tái)由結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控、控制、能源、測(cè)控、星務(wù)組成；試驗(yàn)載荷包括慣性傳感器系統(tǒng)、激光干涉測(cè)量系統(tǒng)、高精度測(cè)控溫系統(tǒng)、微牛級(jí)變推力系統(tǒng)和無(wú)拖曳控制系統(tǒng)5個(gè)部分。

圖3 天琴一號(hào)衛(wèi)星組成

天琴一號(hào)衛(wèi)星配置1臺(tái)高精度慣性傳感器作為衛(wèi)星受到非保守力的測(cè)量敏感器，安裝1臺(tái)連續(xù)可調(diào)微牛級(jí)推力器抵消衛(wèi)星受到的非保守力，通過(guò)無(wú)拖曳控制器使衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳控制，無(wú)拖曳控制包含加速度無(wú)拖曳控制與位移無(wú)拖曳控制模式。高精度溫控組件對(duì)關(guān)鍵載荷進(jìn)行高精度溫控，保證關(guān)鍵載荷的工作穩(wěn)定性。另外，在軌通過(guò)高精度慣性傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的質(zhì)心檢測(cè)。各關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)情況見(jiàn)表1。

表1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)情況

3 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議

為了滿足未來(lái)空間引力波探測(cè)任務(wù)的需求，航天器平臺(tái)重點(diǎn)應(yīng)從位移模式的無(wú)拖曳控制、微牛級(jí)連續(xù)可調(diào)微推進(jìn)技術(shù)等技術(shù)重點(diǎn)攻關(guān)，航天器載荷從質(zhì)心檢測(cè)、高精度慣性測(cè)量技術(shù)等技術(shù)突破提高。

3.1 位移模式無(wú)拖曳控制

雖然天琴一號(hào)衛(wèi)星獲得了國(guó)內(nèi)第1個(gè)位移模式無(wú)拖曳控制收斂結(jié)果，但也存在多組位移模式無(wú)拖曳控制在軌試驗(yàn)發(fā)散的情況。分析這些發(fā)散現(xiàn)象，可以判定無(wú)拖曳推進(jìn)最大推力不足，而且該無(wú)拖曳控制自由度與檢驗(yàn)質(zhì)量另外5個(gè)靜電懸浮控制自由度存在耦合，因此無(wú)拖曳控制對(duì)象的實(shí)際模型十分復(fù)雜。另外，慣性傳感器檢驗(yàn)質(zhì)量塊負(fù)剛度系數(shù)在軌實(shí)際數(shù)值較大，導(dǎo)致最大推力不足。由此可見(jiàn)，從目前我國(guó)位移模式無(wú)拖曳技術(shù)水平到滿足空間引力波探測(cè)科學(xué)衛(wèi)星研制，還有很長(zhǎng)的路要走。

ESA在2015年發(fā)射并在軌試驗(yàn)成功的LISA探路者(Pathfinder)衛(wèi)星由剛性衛(wèi)星及其內(nèi)部2個(gè)參考質(zhì)量組成，共有18個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。其中：參考質(zhì)量1，2具有x1，y1，z1，θ1，y2，z2共6個(gè)自由度進(jìn)行無(wú)拖曳控制，并且平動(dòng)自由度x1與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度θ1耦合在一起構(gòu)成多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)[10-11]。LISA、天琴和太極引力波探測(cè)科學(xué)任務(wù)航天器，按目前規(guī)劃均由1個(gè)剛性環(huán)形艙體與其環(huán)內(nèi)Y形激光干涉儀組成，在Y形激光干涉儀上部2個(gè)叉臂內(nèi)籠框中分別懸浮1個(gè)長(zhǎng)方體檢驗(yàn)質(zhì)量。叉臂頂端各安裝1臺(tái)激光望遠(yuǎn)鏡，并且其中1臺(tái)望遠(yuǎn)鏡具有垂直于激光干涉儀平面的1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，單個(gè)航天器共有19個(gè)自由度。后續(xù)位移模式無(wú)拖曳技術(shù)研究具體包括：①高精度航天器控制對(duì)象建模技術(shù)；②位移模式無(wú)拖曳與姿態(tài)指向控制技術(shù)；③位移模式無(wú)拖曳控制效果評(píng)估技術(shù)；④無(wú)拖曳控制系統(tǒng)模型參數(shù)辨識(shí)技術(shù)；⑤無(wú)拖曳系統(tǒng)轉(zhuǎn)入科學(xué)測(cè)量模式序列優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；⑥無(wú)拖曳控制數(shù)值與物理仿真技術(shù)。

3.2 微牛級(jí)連續(xù)可調(diào)微推進(jìn)技術(shù)

未來(lái)引力波探測(cè)需要更高的推力精度、更低的推力噪聲，以及更寬的推力范圍，因此需要對(duì)微牛級(jí)變推力冷氣推力器、射頻離子推力器、場(chǎng)效應(yīng)推力器及會(huì)切型霍爾推力器在未來(lái)空間引力波探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析、論證。

(1)冷氣微推力器。它主要包括氣瓶、減壓模塊、推力器模塊和控制電路模塊。氣瓶中充高壓氣體，選擇氮?dú)庾鳛橥七M(jìn)劑。減壓模塊把高壓氣體減壓到推力器的工作壓力。推力器模塊根據(jù)控制指令設(shè)置的推力，調(diào)節(jié)帶噴嘴的比例閥的噴嘴喉部面積，達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量流量，產(chǎn)生相應(yīng)大小的推力。為維持某設(shè)定好的推力，可根據(jù)質(zhì)量流量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量氣體質(zhì)量流量，微調(diào)帶噴嘴的比例閥的喉部面積，使氣體質(zhì)量流量在極小的范圍內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推力的閉環(huán)控制。微牛級(jí)冷氣變推力推進(jìn)系統(tǒng)的推力范圍較寬，可達(dá)0.1～1000.0 μN(yùn)，但是比沖較低，僅30～60 s，適用于對(duì)太陽(yáng)光壓等量級(jí)較小的非保守力進(jìn)行補(bǔ)償[12]。

(2)射頻離子推力器。它主要基于射頻感性耦合等離子自持放電。質(zhì)量流量控制器可實(shí)現(xiàn)高精度氣體工質(zhì)流量控制，氣體工質(zhì)流經(jīng)推力器中的氣體分配器進(jìn)入放電室。當(dāng)射頻電流加載到射頻天線時(shí)，在放電室內(nèi)部會(huì)形成電磁場(chǎng)，電子在電場(chǎng)中獲得能量與中性原子碰撞，使其發(fā)生電離，形成射頻等離子體自持放電。放電室中的離子由離子光學(xué)系統(tǒng)加速引出，產(chǎn)生推力。此外，中和器發(fā)射電子流，中和推力器的離子束流，使射頻離子推進(jìn)系統(tǒng)保持電中性[13]。

(3)場(chǎng)效應(yīng)推力器。它與膠體推力器工作原理相同，在毛細(xì)力和強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)力作用下，液體工質(zhì)在發(fā)射極表面形成泰勒錐并產(chǎn)生場(chǎng)致離子發(fā)射效應(yīng)，可以得到較高的比沖。2種推力器不同點(diǎn)在于工質(zhì)不同，場(chǎng)效應(yīng)推力器的工質(zhì)為液態(tài)金屬，而膠體推力器的工質(zhì)為離子液體，膠體推力器優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射極可以采用多孔材料，降低加工工藝難度，但需要增加微泵驅(qū)動(dòng)液體工質(zhì)。2種推力器的壽命都受限于發(fā)射極，對(duì)于長(zhǎng)期空間任務(wù)首先需要攻克發(fā)射極材料腐蝕難題[13-14]。

(4)會(huì)切型霍爾推力器。會(huì)切型霍爾推力器的特點(diǎn)在于放電通道形狀為圓柱形，磁場(chǎng)是由通道外極性相反的多級(jí)環(huán)形永磁體形成的會(huì)切型磁場(chǎng)。其余部件與傳統(tǒng)霍爾推力器類似，在通道上游設(shè)置陽(yáng)極和氣體分配器，推力器外側(cè)下游安裝陰極。在推力器工作過(guò)程中，陰極釋放的電子受到電場(chǎng)影響進(jìn)入推力器內(nèi)部被磁力線捕獲，在磁鏡效應(yīng)的作用下電子在通道內(nèi)部磁尖端處往復(fù)螺旋運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中部分電子會(huì)與通道內(nèi)的工質(zhì)氣體發(fā)生碰撞并電離形成新的離子和電子，發(fā)生雪崩電離。電子經(jīng)過(guò)多次傳導(dǎo)后到達(dá)陽(yáng)極形成放電回路，離子則在電場(chǎng)作用下加速噴出形成推力[15]。

3.3 高穩(wěn)定溫度控制技術(shù)

高精度溫度控制是傳熱過(guò)程控制，系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的合理性制約著控溫效果；而高精度溫度測(cè)量是實(shí)現(xiàn)高精度控溫的前提和基礎(chǔ)。自主控制策略與合理熱設(shè)計(jì)配合，才能實(shí)現(xiàn)精密控溫。因此，一個(gè)高精度控溫系統(tǒng)的性能取決于系統(tǒng)多級(jí)熱控和高精度測(cè)控溫技術(shù)。

對(duì)于系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)，主要采用偏低溫、多級(jí)隔熱和分級(jí)主動(dòng)控溫加熱設(shè)計(jì)，在通過(guò)多級(jí)隔熱盡量減小熱擾動(dòng)的前提下，使用主動(dòng)控溫技術(shù)對(duì)熱擾動(dòng)進(jìn)行抑制。LISA的光學(xué)平臺(tái)通過(guò)多級(jí)隔熱技術(shù)，將外熱流的影響降低至輸入熱流的0.06‰[16-17]。

對(duì)于測(cè)控溫技術(shù)，當(dāng)前使用的電子學(xué)測(cè)溫技術(shù)由于電路噪聲、敏感器噪聲等一系列測(cè)溫鏈路噪聲存在，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)10-6K/Hz1/2量級(jí)的直接溫度測(cè)量?；陔娮訉W(xué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)，一般是在自身極限測(cè)量能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，以消除基底噪聲，此類方法噪聲水平可以達(dá)到3×10-5K/Hz1/2。由于直接測(cè)量無(wú)法達(dá)到引力波探測(cè)要求的1×10-6K/Hz1/2的熱噪聲測(cè)量要求，通常的做法是對(duì)安裝界面至檢驗(yàn)質(zhì)量之間的導(dǎo)熱路徑做進(jìn)一步熱分析，通過(guò)數(shù)值分析確定最終檢驗(yàn)質(zhì)量的熱噪聲水平。

基于天琴一號(hào)，在后續(xù)的超低噪聲熱控技術(shù)發(fā)展中，主要的工作方向?yàn)椋孩倩谪?fù)溫度系數(shù)(NTC)測(cè)溫系統(tǒng)的超低熱噪聲測(cè)量系統(tǒng)；②基于比例-積分-微分(PID)控制算法的穩(wěn)流輸出控溫系統(tǒng)；③基于多種隔熱材料耦合的多級(jí)隔熱系統(tǒng)；④大熱流變化及復(fù)雜整星工作模式的熱流衰減超低噪聲控制系統(tǒng)；⑤超低頻超低熱噪聲地面半物理仿真平臺(tái)；⑥基于傅立葉變換的溫度頻譜分析及超低噪聲評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

3.4 質(zhì)心檢測(cè)

2021年年底中國(guó)發(fā)射的科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，對(duì)質(zhì)心檢測(cè)與修正的指標(biāo)要求與美國(guó)重力校正和氣候?qū)嶒?yàn)(GRACE)衛(wèi)星一致，即：①在軌3軸質(zhì)心標(biāo)定精度優(yōu)于50 μm；②在軌3軸質(zhì)心偏差小于100 μm?？茖W(xué)探測(cè)衛(wèi)星初步測(cè)試結(jié)果表明，質(zhì)心檢測(cè)與修正任務(wù)均達(dá)到指標(biāo)要求。后續(xù)隨著姿態(tài)敏感器與慣性測(cè)量敏感器測(cè)量精度的進(jìn)一步提高，研制高精度質(zhì)心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，質(zhì)心檢測(cè)與修正技術(shù)有望進(jìn)一步提高。

3.5 高精度慣性測(cè)量技術(shù)

靜電加速度計(jì)相比其他類型的加速度計(jì)，具有精度高、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、體積小，以及能夠?qū)崿F(xiàn)6個(gè)自由度同時(shí)測(cè)量的特點(diǎn)。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，高精度靜電加速度計(jì)在重力衛(wèi)星、引力波探測(cè)等空間項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用驗(yàn)證，已成為航天領(lǐng)域重要的載荷之一。目前，國(guó)際上已發(fā)射的3顆重力衛(wèi)星中星載加速度計(jì)均采用法國(guó)宇航材料研究局(ONERA)研制的靜電加速度計(jì)[18-20],其靜電分辨率從10-8m/(s2·Hz1/2)量級(jí)提高到10-12m/(s2·Hz1/2)量級(jí)。天琴一號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)分辨率達(dá)10-12m/(s2·Hz1/2)量級(jí)的慣性傳感器在軌驗(yàn)證，未來(lái)面向空間引力波探測(cè)計(jì)劃的科學(xué)需求，其慣性傳感器的分辨率需求更是達(dá)到10-15m/(s2·Hz1/2)量級(jí)[21-22]。更高的技術(shù)指標(biāo)要求，需要深入開(kāi)展更高精度慣性傳感器的技術(shù)攻關(guān)，包括高精度探頭研制、高精度位移傳感器技術(shù)、電荷測(cè)量與電荷管理技術(shù)，以及高精度的地面測(cè)試技術(shù)等研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間引力波探測(cè)對(duì)航天器提出了更高的指標(biāo)要求，也帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。歐美與中國(guó)等在空間引力波探測(cè)領(lǐng)域均獲得了巨大的進(jìn)步，例如歐洲的LISA Pathfinder技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)圓滿成功，中國(guó)的天琴一號(hào)衛(wèi)星各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在軌成功驗(yàn)證。隨著中國(guó)天琴二號(hào)衛(wèi)星的立項(xiàng)與啟動(dòng)研制，將繼續(xù)開(kāi)展各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與在軌驗(yàn)證工作，盡早實(shí)現(xiàn)中國(guó)空間引力波探測(cè)的目標(biāo)。