今天升空的衛星背後，醞釀著一個大計劃……
科技日報記者 劉志偉 通訊員 王瀟瀟 漆小萍
12月20日11時22分。隨著太原衛星發射中心的長征四號乙運載火箭成功發射，包括贈衣索比亞微小衛星以及「天琴一號」技術試驗衛星等8顆衛星也同步升空。發射後891秒「天琴一號」入軌，電源開機正常。
這是由華中科技大學和中山大學共同研製的國內首顆由國家立項面向未來引力波空間探測技術試驗衛星，其成功發射意味著我國科研人員醞釀近20年，且於5年前正式推出的天琴空間引力波探測計劃，正式進入「太空試驗」階段。
天琴「0123計劃」已進入「1」
圍繞中國空間引力波探測，羅俊院士早在1994年就在華中科技大學引力中心的山洞實驗室開始進行基礎研究布局。
「天琴計劃」是由羅俊院士2014年3月在華中科技大學的一次國際會議上提出。該計划具體為2035年前後在距離地球約10萬公里的軌道上，部署三顆全同衛星構成邊長約為17萬公里的等邊三角形編隊，在太空中建成一個引力波天文台，探測引力波。
2015年7月在中山大學發起的一個科研計劃，中山大學和華中科技大學正式組建研究小組開展我國空間引力波探測計劃任務的預研，制定我國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖，提出天琴空間引力波探測計劃。
2016年2月21日，中山大學正式發布「天琴計劃」實施路線圖「0123計劃」，該計劃將用15年到20年發射衛星上天。
「天琴計劃」首席科學家羅俊院士詳細介紹了「0123計劃」，其中「1」包括發射單顆高精度空間慣性基準技術試驗衛星和單顆天琴探路者試驗衛星，「天琴一號」衛星正是這個「單顆高精度空間慣性基準技術試驗衛星」。
據介紹，這套「0123計劃」技術路線圖，採取「沿途下蛋」分步實施，利用可靠、經濟、科學的手段展開技術攻關和在軌驗證，穩步推動我國空間引力波探測關鍵技術走向成熟，最終開展空間引力波探測。
據了解，「天琴計劃」得到了國內多部門的立項支持，2015年教育部率先支持「天琴計劃」的實施，2016年國家航天局和基金委同時立項支持月球中繼星激光測距項目，2017年國家航天局發布《關於「十三五」民用航天科研的指導意見》，其中明確提出推動引力波探測試驗驗證衛星工程項目立項，從此開始對天琴「0123計劃」系統性、持續性支持。
2018年10月，國家航天局批複立項「高精度空間慣性基準技術試驗衛星工程項目」，因該項目對應天琴「0123計劃」中的步驟「1」，故命名「天琴一號」。
「天琴一號」衛星總設計師張立華介紹，「天琴一號」是我國第一顆由國家立項、高校牽頭的技術試驗衛星，也是國家正式立項的第一顆空間引力波探測技術試驗衛星。
三大科學目標
四大「首創」意義
空間引力波探測技術體系中，空間慣性基準技術是關鍵技術之一。
羅俊說，這項技術的核心是在每顆衛星內部放置完全懸浮起來的質量塊，然後利用衛星屏蔽外界環境對質量塊干擾，利用無拖曳技術並控制衛星使之跟隨質量塊運動，這個不受外力干擾的質量塊，稱為「慣性基準」。因為「慣性基準」只在引力場的作用下運動，所以能真實地反映引力場的波動，可以說，「慣性基準」就是引力波「探頭」。
「『天琴一號』是一顆高精度空間慣性基準技術試驗衛星。」中山大學天琴中心副主任葉賢基教授說，其身負三大科學任務：
第一個是對空間慣性感測器進行在軌驗證，該感測器用於精確測量衛星與質量塊之間的相對運動。
第二個是對微牛級可變推力的微推力器進行在軌驗證，該技術用於精確控制衛星跟隨慣性基準運動。
第三個是對無拖曳控制技術進行在軌驗證，這是根據慣性感測器的測量結果，通過適當的控制演算法向微推力器輸出控制指令，使衛星精確跟隨慣性基準運動。
葉賢基說，「天琴一號」也將對高精度激光干涉測量技術、高精度質心控制技術、高穩定性溫度控制技術等引力波空間探測共性關鍵技術開展在軌驗證。
天琴計劃珠海計劃測距台站
中國科學院院士葉朝輝表示，「天琴計劃」從醞釀、籌備到技術攻關取得階段性成果，「天琴一號」在四個方面具有國內「首創」意義：
第一，作為國內首顆國家立項的引力波空間探測技術試驗衛星，不僅適用於空間引力波探測計劃，還將滿足其他基礎科學空間實驗對航天技術的發展需求。
第二，是國內首顆無拖曳控制技術試驗衛星。無拖曳控制技術是最前沿的航天技術。此次在軌成功實現「超靜超穩」無拖曳控制衛星，將為開展下一代衛星重力測量、深空探測、基礎科學實驗等提供重大技術儲備。
第三，是國內首次在空間建立最高精度的空間慣性基準，將完成慣性測量、無拖曳控制、微牛級推進、激光干涉測量、高穩定溫度和質心控制共六項關鍵技術在軌驗證，六項關鍵技術協同工作，實現高精度空間慣性基準的構建。
第四，「天琴一號」衛星的單項技術指標要求高，部分技術比國內現有水平高2個數量級以上。
硬核技術再創「新高」
「無人之域」任重道遠
21世紀初，羅俊帶領團隊開始布局空間引力波探測的兩大核心技術——空間慣性感測和星間激光干涉測量技術的研究。經過四個「五年計劃」的積累，目前擁有自主知識產權的空間靜電懸浮加速度計已經經過了多次在軌試驗和空間應用。
但是，羅俊表示，我國現有的技術水平距離空間引力波探測實際需要還有明顯差距，尤其在空間慣性感測和星間激光干涉測量兩大核心技術上還存在若干量級上的差距。
中山大學天琴中心楊山清教授和華中科技大學引力中心塗良成教授與航天東方紅衛星有限公司的工作人員正在進行天琴一號衛星發射前的最後測試檢查工作
「這也是『天琴一號』要突破的點。」天琴中心常務副主任塗良成教授說，在上述兩項技術上「天琴一號」都有「突破」。首先是「新」，「天琴一號」所針對的無拖曳控制、微牛級可變推力微推力器、高精度激光干涉測量等方面的技術，在國內都剛剛起步，急需在軌試驗驗證。
其次是「高」，「天琴一號」是對我國空間引力波探測核心技術的一次最高水平的在軌試驗驗證，比如慣性感測器雜訊水平將比現有指標提高100倍以上、激光干涉儀測量雜訊將比現有指標提高10倍以上。
葉賢基介紹，新技術和高標準的背後是研發過程克服了諸多難點，以一體化星載激光干涉儀為例，「天琴一號」中激光干涉儀光學平台是採用特殊技術製作的超穩光學平台，這種特殊粘結工藝可以使得光學鏡片與平台的界面粘結強度非常接近材料本身的最大拉伸強度，形成「准一體化」的抗震結構。再加上材料本身非常小的熱膨脹係數，從而使得整個干涉儀光學平台對溫度變化和外界振動等環境變化的抗干擾能力極強。
空間引力波探測技術邁出實質性、關鍵性的一大步，但這項工程巨大，技術前沿且複雜，是科學界的「無人之域」，國際競爭日漸白熱化。上海交通大學教授王斌表示，空間引力波探測計劃是世界級大型科研計劃，歐美國家早已意識到中國的潛在競爭力，目前歐洲的LISA計劃再度加速推進。
羅俊表示，「天琴一號」雖然意義重大，但並不代表我國空間引力波探測技術已經成熟，實際上我們距離實現空間引力波探測的最終目標還任重道遠，必須本著求真務實的科學態度和踏實嚴謹的科學作風，加快推進關鍵技術攻關和在軌驗證，加速推進人才隊伍建設和國內外科技合作。
來源：科技日報 文中圖片由作者提供
編輯：劉義陽
審核：朱麗
