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空間引力實驗的關(guān)鍵載荷—自主研發(fā)的星載靜電懸浮加速度計
出品：科普中國
制作：中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心 華中科技大學引力實驗室 中國科普博覽
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
編者按：
剛剛發(fā)射成功的天舟一號，除了要與天宮二號交會對接、實施推進劑在軌補加，還要開展一系列空間科學實驗和技術(shù)試驗的任務。
中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心是載人航天工程空間應用系統(tǒng)的總體單位，中國科學院抓總負責載人航天空間科學與應用任務的規(guī)劃、實施及成果產(chǎn)出與推廣，具體承擔工程研制的組織管理，系統(tǒng)設(shè)計、集成、測試，可靠性保障，在軌技術(shù)支持，有效載荷運控管理，數(shù)據(jù)獲取及應用成果的推廣服務等系統(tǒng)技術(shù)支持、支撐、保障、服務工作。
在此特別感謝中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心的支持！
天舟一號雖然是貨運飛船，但寶貴的空間實驗機會不容浪費，仍然搭載了不少科學實驗載荷。
其中，華中科技大學引力中心承擔了“非牛頓引力實驗檢驗的關(guān)鍵技術(shù)驗證”項目，“非牛頓引力實驗檢驗”擬利用微重力環(huán)境檢驗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，這是一個純基礎(chǔ)物理實驗，對于統(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，該實驗必須首先發(fā)展高精度的微弱力測量技術(shù)。為此，項目組發(fā)展了基于皮米級電容傳感和微伏級靜電控制技術(shù)的加速度計，稱之為靜電懸浮加速度計，該加速度計是非牛頓引力實驗的技術(shù)基礎(chǔ)。本次空間實驗目的就是利用天舟一號貨運飛船的空間環(huán)境，對高精度靜電懸浮加速度計進行在軌檢驗。通常地球表面重力加速度為1g（9.8m/s2），本項目驗證的靜電懸浮加速度計分辨本領(lǐng)達到10-11g量級，相對于地球表面重力加速度的大小而言，可以分辨其小數(shù)點后第10位的加速度變化，極其精密。
相對于傳統(tǒng)彈簧連接式加速度計而言，靜電懸浮加速度計精度高，技術(shù)難度大，目前也只有法國等幾個極少數(shù)國家掌握了其全部技術(shù)，對我們國家仍是嚴密封閉的。華中科技大學引力中心從2000年開始，經(jīng)過了十五、十一五、十二五三個五年計劃的連續(xù)攻關(guān)，從理論機理、關(guān)鍵技術(shù)、研制工藝、測試與標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)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、不同測量精度的靜電懸浮加速度計系列產(chǎn)品。在此期間，該項目組分別于2006年和2013年成功完成了SJ8號和XX5號星載加速度計飛行實驗，將我國星載加速度計的研制水平逐步提高到了10-7g和10-9g量級，本次天舟一號加速度計水平提高到10-11g量級，本次實驗將我國星載加速度計研制能力提高到國際先進水平。本次驗證的高精度靜電懸浮加速度計裝置如圖所示，有兩個設(shè)備組成，其中探頭盒實現(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現(xiàn)與衛(wèi)星平臺之間的數(shù)據(jù)通信功能等。
非牛頓引力實驗檢驗裝置探頭盒和電控盒
天舟一號在飛行過程中，并非一直處于非常平穩(wěn)的狀態(tài)，靜電懸浮加速度計會受到航天器振動噪聲的干擾。幸運的是，本次實驗有一位非常好的搭檔，天舟一號貨運飛船同時搭載了中科院空間應用工程與技術(shù)中心研制的主動隔振裝置，該裝置能夠隔離飛船振動干擾，為靜電懸浮加速度計提供了一個安靜實驗平臺。同時，該隔振裝置也是次空間實驗，靜電懸浮加速度計將為該隔振裝置提供測試評估。靜電懸浮加速度計和主動隔振裝置二者相輔相成、互相支撐。
高精度空間加速度計作為弱力測量傳感器或者慣性參考是空間引力實驗必不可少的關(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年兩次報道探測到了兩個黑洞并合時發(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勢必將成為新的科技制高點之一?？臻g引力波探測將利用數(shù)十萬到上百萬公里距離的多個航天器編隊組網(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)域研究熱點之一?？臻g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，需要達到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。
本次飛行實驗將進一步為空間站開展“非牛頓引力實驗檢驗”、“空間等效原理實驗檢驗”以及“空間引力波探測”等實驗檢驗奠定基礎(chǔ)。
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