2016年2月21日，中山大學(xué)正式發(fā)布“天琴計劃”實施路線圖“0123計劃”，該計劃將用15年到20年發(fā)射衛(wèi)星上天。

“天琴計劃”首席科學(xué)家羅俊院士詳細介紹了“0123計劃”，其中“1”包括發(fā)射單顆高精度空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)試驗衛(wèi)星和單顆天琴探路者試驗衛(wèi)星，“天琴一號”衛(wèi)星正是這個“單顆高精度空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)試驗衛(wèi)星”。

據(jù)介紹，這套“0123計劃”技術(shù)路線圖，采取“沿途下蛋”分步實施，利用可靠、經(jīng)濟、科學(xué)的手段展開技術(shù)攻關(guān)和在軌驗證，穩(wěn)步推動我國空間引力波探測關(guān)鍵技術(shù)走向成熟，最終開展空間引力波探測。

據(jù)了解，“天琴計劃”得到了國內(nèi)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(fā)布《關(guān)于“十三五”民用航天科研的指導(dǎo)意見》，其中明確提出推動引力波探測試驗驗證衛(wèi)星工程項目立項，從此開始對天琴“0123計劃”系統(tǒng)性、持續(xù)性支持。

2018年10月，國家航天局批復(fù)立項“高精度空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)試驗衛(wèi)星工程項目”，因該項目對應(yīng)天琴“0123計劃”中的步驟“1”，故命名“天琴一號”。

“天琴一號”衛(wèi)星總設(shè)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(shù)試驗衛(wèi)星，也是國家正式立項的第一顆空間引力波探測技術(shù)試驗衛(wèi)星。

三大科學(xué)目標(biāo)

四大“首創(chuàng)”意義

空間引力波探測技術(shù)體系中，空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。

羅俊說，這項技術(shù)的核心是在每顆衛(wèi)星內(nèi)部放置完全懸浮起來的質(zhì)量塊，然后利用衛(wèi)星屏蔽外界環(huán)境對質(zhì)量塊干擾，利用無拖曳技術(shù)并控制衛(wèi)星使之跟隨質(zhì)量塊運動，這個不受外力干擾的質(zhì)量塊，稱為“慣性基準(zhǔn)”。因為“慣性基準(zhǔn)”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(zhǔn)”就是引力波“探頭”。

“‘天琴一號’是一顆高精度空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)試驗衛(wèi)星?！敝猩酱髮W(xué)天琴中心副主任葉賢基教授說，其身負三大科學(xué)任務(wù)：

第一個是對空間慣性傳感器進行在軌驗證，該傳感器用于精確測量衛(wèi)星與質(zhì)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(shù)用于精確控制衛(wèi)星跟隨慣性基準(zhǔn)運動。

第三個是對無拖曳控制技術(shù)進行在軌驗證，這是根據(jù)慣性傳感器的測量結(jié)果，通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄏ蛭⑼屏ζ鬏敵隹刂浦噶睿剐l(wèi)星精確跟隨慣性基準(zhǔn)運動。

葉賢基說，“天琴一號”也將對高精度激光干涉測量技術(shù)、高精度質(zhì)心控制技術(shù)、高穩(wěn)定性溫度控制技術(shù)等引力波空間探測共性關(guān)鍵技術(shù)開展在軌驗證。

▲天琴計劃珠海計劃測距臺站

中國科學(xué)院院士葉朝輝表示，“天琴計劃”從醞釀、籌備到技術(shù)攻關(guān)取得階段性成果，“天琴一號”在四個方面具有國內(nèi)“首創(chuàng)”意義：

第一，作為國內(nèi)首顆國家立項的引力波空間探測技術(shù)試驗衛(wèi)星，不僅適用于空間引力波探測計劃，還將滿足其他基礎(chǔ)科學(xué)空間實驗對航天技術(shù)的發(fā)展需求。

第二，是國內(nèi)首顆無拖曳控制技術(shù)試驗衛(wèi)星。無拖曳控制技術(shù)是最前沿的航天技術(shù)。此次在軌成功實現(xiàn)“超靜超穩(wěn)”無拖曳控制衛(wèi)星，將為開展下一代衛(wèi)星重力測量、深空探測、基礎(chǔ)科學(xué)實驗等提供重大技術(shù)儲備。

第三，是國內(nèi)首次在空間建立最高精度的空間慣性基準(zhǔn)，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(wěn)定溫度和質(zhì)心控制共六項關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證，六項關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同工作，實現(xiàn)高精度空間慣性基準(zhǔn)的構(gòu)建。

第四，“天琴一號”衛(wèi)星的單項技術(shù)指標(biāo)要求高，部分技術(shù)比國內(nèi)現(xiàn)有水平高2個數(shù)量級以上。

硬核技術(shù)再創(chuàng)“新高”

“無人之域”任重道遠

21世紀(jì)初，羅俊帶領(lǐng)團隊開始布局空間引力波探測的兩大核心技術(shù)——空間慣性傳感和星間激光干涉測量技術(shù)的研究。經(jīng)過四個“五年計劃”的積累，目前擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的空間靜電懸浮加速度計已經(jīng)經(jīng)過了多次在軌試驗和空間應(yīng)用。

但是，羅俊表示，我國現(xiàn)有的技術(shù)水平距離空間引力波探測實際需要還有明顯差距，尤其在空間慣性傳感和星間激光干涉測量兩大核心技術(shù)上還存在若干量級上的差距。

▲中山大學(xué)天琴中心楊山清教授和華中科技大學(xué)引力中心涂良成教授與航天東方紅衛(wèi)星有限公司的工作人員正在進行“天琴一號”衛(wèi)星發(fā)射前的最后測試檢查工作。