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空間引力實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵載荷—自主研發(fā)的星載靜電懸浮加速度計(jì)
出品：科普中國
制作：中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)室 中國科普博覽
監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
編者按：
剛剛發(fā)射成功的天舟一號(hào)，除了要與天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接、實(shí)施推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，還要開展一系列空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)的任務(wù)。
中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心是載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)的總體單位，中國科學(xué)院抓總負(fù)責(zé)載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)的規(guī)劃、實(shí)施及成果產(chǎn)出與推廣，具體承擔(dān)工程研制的組織管理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、測試，可靠性保障，在軌技術(shù)支持，有效載荷運(yùn)控管理，數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用成果的推廣服務(wù)等系統(tǒng)技術(shù)支持、支撐、保障、服務(wù)工作。
在此特別感謝中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的支持！
天舟一號(hào)雖然是貨運(yùn)飛船，但寶貴的空間實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)不容浪費(fèi)，仍然搭載了不少科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷。
其中，華中科技大學(xué)引力中心承擔(dān)了“非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”項(xiàng)目，“非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”擬利用微重力環(huán)境檢驗(yàn)微米作用距離下物體之間的引力是否仍然滿足牛頓萬有引力定律，這是一個(gè)純基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)于統(tǒng)一四種相互作用、探尋新的相互作用等研究具有重要意義，該實(shí)驗(yàn)必須首先發(fā)展高精度的微弱力測量技術(shù)。為此，項(xiàng)目組發(fā)展了基于皮米級(jí)電容傳感和微伏級(jí)靜電控制技術(shù)的加速度計(jì)，稱之為靜電懸浮加速度計(jì)，該加速度計(jì)是非牛頓引力實(shí)驗(yàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。本次空間實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪抢锰熘垡惶?hào)貨運(yùn)飛船的空間環(huán)境，對(duì)高精度靜電懸浮加速度計(jì)進(jìn)行在軌檢驗(yàn)。通常地球表面重力加速度為1g（9.8m/s2），本項(xiàng)目驗(yàn)證的靜電懸浮加速度計(jì)分辨本領(lǐng)達(dá)到10-11g量級(jí)，相對(duì)于地球表面重力加速度的大小而言，可以分辨其小數(shù)點(diǎn)后第10位的加速度變化，極其精密。
相對(duì)于傳統(tǒng)彈簧連接式加速度計(jì)而言，靜電懸浮加速度計(jì)精度高，技術(shù)難度大，目前也只有法國等幾個(gè)極少數(shù)國家掌握了其全部技術(shù)，對(duì)我們國家仍是嚴(yán)密封閉的。華中科技大學(xué)引力中心從2000年開始，經(jīng)過了十五、十一五、十二五三個(gè)五年計(jì)劃的連續(xù)攻關(guān)，從理論機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、研制工藝、測試與標(biāo)定等方面開展了系統(tǒng)研究，解決了其全部技術(shù)，終研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、不同測量精度的靜電懸浮加速度計(jì)系列產(chǎn)品。在此期間，該項(xiàng)目組分別于2006年和2013年成功完成了SJ8號(hào)和XX5號(hào)星載加速度計(jì)飛行實(shí)驗(yàn)，將我國星載加速度計(jì)的研制水平逐步提高到了10-7g和10-9g量級(jí)，本次天舟一號(hào)加速度計(jì)水平提高到10-11g量級(jí)，本次實(shí)驗(yàn)將我國星載加速度計(jì)研制能力提高到國際先進(jìn)水平。本次驗(yàn)證的高精度靜電懸浮加速度計(jì)裝置如圖所示，有兩個(gè)設(shè)備組成，其中探頭盒實(shí)現(xiàn)高精度加速度的測量，電控盒為探頭盒提供電源保障和實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信功能等。
非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)裝置探頭盒和電控盒
天舟一號(hào)在飛行過程中，并非一直處于非常平穩(wěn)的狀態(tài)，靜電懸浮加速度計(jì)會(huì)受到航天器振動(dòng)噪聲的干擾。幸運(yùn)的是，本次實(shí)驗(yàn)有一位非常好的搭檔，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船同時(shí)搭載了中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研制的主動(dòng)隔振裝置，該裝置能夠隔離飛船振動(dòng)干擾，為靜電懸浮加速度計(jì)提供了一個(gè)安靜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，該隔振裝置也是次空間實(shí)驗(yàn)，靜電懸浮加速度計(jì)將為該隔振裝置提供測試評(píng)估。靜電懸浮加速度計(jì)和主動(dòng)隔振裝置二者相輔相成、互相支撐。
高精度空間加速度計(jì)作為弱力測量傳感器或者慣性參考是空間引力實(shí)驗(yàn)必不可少的關(guān)鍵載荷之一。例如，美國地基激光干涉引力波探測器LIGO工作組在2016年兩次報(bào)道探測到了兩個(gè)黑洞并合時(shí)發(fā)出的引力波，引起了全世界高度關(guān)注，引力波探測及引力波天文學(xué)勢必將成為新的科技制高點(diǎn)之一。空間引力波探測將利用數(shù)十萬到上百萬公里距離的多個(gè)航天器編隊(duì)組網(wǎng)開展引力波探測，該波段具有更豐富的引力波源，成為了該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。空間引力波探測中，需要更高精度測量和控制航天器的加速度擾動(dòng)，需要達(dá)到10-15m/s2甚至更高，基于電容位移傳感和靜電反饋控制的慣性傳感器成為的研制方案。
本次飛行實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步為空間站開展“非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”、“空間等效原理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”以及“空間引力波探測”等實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。
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