歐洲成功發射“激光干涉儀空間天線探路者”探測器

王帥 （北京空間科技信息研究所）

1 引言

2015年12月3日，歐洲航天局（ESA）的“激光干涉儀空間天線探路者”（LISA Pathfinder，以下簡稱“探路者”）探測器由“織女星”（Vega）運載火箭發射升空，該探測器將測試空間引力波探測所需的技術。

引力波的概念源于愛因斯坦的廣義相對論，其中一項重要的預言就是存在引力波。引力波是物質運動或物質體系的質量分布發生變化時產生的一種引力輻射，來源遍布整個宇宙空間，包括中子星或黑洞形成、超新星爆發、超大質量黑洞等。探測引力波不僅可以直接驗證廣義相對論中重要的預言，還可以獲得很多傳統天文學手段無法獲得的天體物理信息，研究暴漲和相變等物理過程，為人類開啟觀測宇宙的新窗口。

目前，引力波理論上非常微弱，迄今為止人類還未能直接探測到引力波，但世界發達國家都在推進引力波的探測。21世紀初，美國、意大利、法國和日本等多個國家都建立了千米級的地面激光干涉儀引力波探測設施，用于探測高頻引力波。地面引力波探測設施會受到地面震動噪聲、熱噪聲、引力梯度噪聲等的影響，探測器臂長也非常有限，因此更為微弱的低頻引力波（頻率10-4～10-1Hz）需要利用空間干涉儀進行觀測。“探路者”正是歐洲航天局響應空間激光干涉儀的需求而設定的技術試驗任務。

2 任務背景

1998年，“探路者”作為“歐洲激光干涉儀空間天線技術試驗”（ELIFE）被首次提出，任務為一個處于地球同步軌道的航天器，將對“激光干涉儀空間天線”（LISA）任務所需的技術進行驗證。“激光干涉儀空間天線”任務原本是歐洲航天局與美國航空航天局（NASA）合作進行的一項空間引力波探測任務，任務由3顆日心軌道航天器構成一個巨型“邁克爾遜”（Michelson）干涉測量儀，可通過激光測量儀測量航天器之間距離的微小變化，從而進行引力波的探測。

2000年，為了響應小型先進技術研究任務－2（SMART－2）的征求任務方案的公告，任務被重新制定并提交給歐洲航天局科學委員會。當時，提議將其作為“激光干涉儀空間天線”和“達爾文”（Darwin）2項任務的先驅任務，包括2個自由飛行航天器和3個有效載荷（歐洲航天局提供的“激光干涉儀空間天線技術模塊”、“達爾文技術模塊”和美國航空航天局提供的“激光干涉儀空間天線技術模塊”）。同年11月，歐洲航天局科學規劃委員會（SPC）批準了該項任務。

經過初步研究，“達爾文”先驅任務被取消，任務減少為一個航天器并重新命名為“探路者”，將攜帶歐洲制造的“激光干涉儀空間天線技術模塊”和美國航空航天局提供的“干擾減少系統”。2002年5月，該任務作為歐洲航天局新“宇宙愿景2015-2025”科學規劃的一部分，得到了歐洲航天局科學規劃委員會的最終確認。

3 任務目標

“探路者” 將在滿足引力要求的環境中放置2個試驗質量塊，并以極高的精度測量它們的相對運動，進而證實僅受引力作用的物體在時間－空間中沿測地線運動。“探路者”的具體任務目標：

1）利用2個自由試驗質量塊對航天器中“無阻力和姿態控制”進行驗證；

2）驗證激光干涉儀在低頻率波段以皮米級的分辨率進行測量的可行性；

3）測試儀器在空間環境的可靠性和使用壽命。

在愛因斯坦的廣義相對論中，引力并不被考慮為一種外力，而是時空曲率的來源。在宇宙中下放一個質量體（一個平直時空），僅受引力作用的試驗質量塊將沿直線勻速運動（牛頓第一定律）。然而，按照廣義相對論的描述，在真實的宇宙中質量導致的引力/曲率將修改牛頓第一定律成為：在沒有外力的作用下，試驗質量塊將沿測地線運動。微粒在僅有引力作用下沿時間－空間中的測地線運動是廣義相對論的基礎，所有試驗的目標都是驗證廣義相對論的預言。

“探路者”將驗證引力波探測所需的技術，并不能直接探測引力波。對于1m的距離而言，低頻引力波只能引起10-24～10-21m的位移，這比原子核10-15m的大小還要小幾個數量級。“探路者”任務中2個試驗質量塊的距離僅為0.35m，低頻引力波引起的位移是無法測量的。未來引力波探測任務中，空基干涉儀的臂長將達到5×106km，從而使得低頻引力波引起的位移可以測量。

4 有效載荷

“探路者”發射質量為1910.0kg，航天器結構為八角柱形，外直徑2.31m，高0.96m，其中一面敷有面積約為2.8m2太陽電池板，另一面則連接推進模塊。

不同于傳統的天文臺或行星任務，“探路者”的有效載荷不能考慮為航天器攜帶的離散硬件。在科學運行過程中，有效載荷和航天器將分別作為一個單一機組：航天器的控制由有效載荷驅動。“探路者”將攜帶“激光干涉儀空間天線技術模塊”和“干擾減少系統”2個先進的儀器。

“激光干涉儀空間天線技術模塊”

“探路者”的航天器結構

“激光干涉儀空間天線技術模塊”是由歐洲機構和工業部門研發的有效載荷，包括2個相同的試驗質量塊，分別懸浮在各自的真空罐內，將仿真“激光干涉儀空間天線”任務的觀測布置。不同的是，“探路者”任務中2個試驗質量塊之間的距離僅為35cm，而未來引力波觀測任務中試驗質量塊之間的距離將達到5×106km。試驗質量塊直徑46mm，質量1.96kg，為金鉑單合金立方體，合金中金占73%，鉑占27%。選擇該材料的原因是該合金具有極低的磁化率（約為10-5）和較高的密度（約為20kg/m3），這樣的組合可以降低外力對試驗質量塊的影響。

該模塊主要負責存放試驗質量塊，并為“無阻力和姿態控制系統”提供試驗質量塊的位置信息。“無阻力和姿態控制系統”是航天器重要的子系統，主要完成航天器的動力學控制。航天器姿態通過1對星敏感器確定，姿態調整則由一系列微推進器執行。

它包括2個主要子系統：慣性傳感器子系統和光學測量子系統。慣性傳感器子系統包括試驗質量塊和所有與試驗質量塊直接相互作用的系統，例如，電極殼、前端電子設備、真空系統、充電管理以及鎖定機構。光學測量子系統是用于測量試驗質量塊位置的高分辨率激光干涉儀，包括基準激光單元、激光調制器、光具座干涉儀和相位表。

“激光干涉儀空間天線技術模塊”示意圖

“干擾減少系統”

“干擾減少系統”是由美國航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）提供的一個試驗裝置，將驗證“無阻力”航天器所需的系統級技術。“干擾減少系統”可以消除太陽光壓等作用力，從而確保被控航天器沿著僅受引力作用的軌道運行。

它利用“激光干涉儀空間天線技術模塊” 獲得傳感器信息，執行機構包括2組微型推進器。推進器通過電場加速電離的膠體液滴，從而提供微推進力。“干擾減少系統”將使用來自“激光干涉儀空間天線技術模塊”的傳感器信息控制航天器的位置和姿態。

5 任務歷程

“探路者”進入橢圓停泊軌道（近地點高度200km，遠地點高度1540km，軌道傾角為6.5°）后，航天器將利用自身的推進系統達到最終的運行軌道—距離地球1.5×106km的日地拉格朗日L1點附近的“利薩如”（Lissajous）軌道。轉移過程將需要3.1km/s的速度增量，主要通過400N化學發動機在近地點的數次推進實現。在執行最終的轉移機動之后，將查明科學航天器的健康狀況，并投棄推進模塊。

選擇L1點附近的“利薩如”軌道作為運行軌道的原因包括：這里距離地球較遠，可以避免地球重力和磁場的干擾；可以避免出現日食或月食，從而保持一個穩定熱環境；不需要復雜的通信設備等。

“探路者”任務可以劃分為以下5個階段：

1）發射和早期操作階段。包括航天器組合體發射和遠地點提升機動，持續約21天。

2）轉移階段。包括最后一次近地點脈沖點火機動之后到發射組合體到達L1點，持續約20天。

3）分離和消旋階段。在到達L1點后，發射組合體在推進模塊脫離科學航天器之前將以5（°）/s的轉速旋轉，在與推進模塊分離之后科學航天器將利用微推進系統消除旋轉，該階段持續約15天。

4）試運行階段。在科學航天器穩定之后將進行航天器、推進系統和有效載荷的試運行，平臺、“激光干涉儀空間天線技術模塊”和“干擾減少系統”的試運行時間都為10天。

“探路者”從發射到運行軌道的示意圖

“探路者”任務階段劃分

5）在軌運行階段。該階段將進行科學操作，共持續6個月，其中“激光干涉儀空間天線技術模塊”運行90天，“干擾減少系統”運行60天，兩者聯合運行30天。“干擾減少系統”試驗將利用歐洲“激光干涉儀空間天線技術模塊”敏感器進行測量。任務自身可以擴展至1年。

到達運行軌道后，“探路者”將釋放試驗質量塊并保持質量塊不再與航天器發生物理接觸。復雜的激光測量系統將以10－9mm的精度測量試驗質量塊的相對運動。

航天器自身將充當試驗的一個能動部分，其微推進系統每秒鐘將點火數十次進行位置的調整，避免試驗質量塊與航天器發生接觸，從而保證引力以外的作用力不會對試驗質量塊造成影響。

如果“探路者”順利完成這些極高精度的測量和操作，建立空間天文臺探測引力波造成的微小時空擾動將成為可能。當2個質量塊相距數百萬千米時，這些微小的擾動預計將只有幾千萬分之一毫米。

“探路者”將作為一個空間物理實驗室進行運作。在6個月的運行時間內，科學家將分析每日運作得到的數據，進而設計探測器后續的試驗。

6 任務特點

“探路者”中采用了多項全新的和高精度的技術。如果“探路者”順利完成試驗的極高精度測量和操作，未來空間引力波探測將成為可能，這將開啟人類認識宇宙的另一扇窗口，對于物理學和天文學的發展都具有重大的意義。具體而言，“探路者”任務具有以下特點：

（1）踏出了空間引力波觀測的第一步

“探路者”將在空間中對觀測引力波所需技術進行首次測試。引力波觀測將極大地提高廣義相對論的知識，并且幫助科學家觀測諸多天文事件的效應，這些天文事件被認為能夠造成空間本身構造微乎其微的扭曲。

（2）全新的開創性空間驗證任務

“探路者”是一個開創性的空間任務。驗證的技術是全新的，并且無法在地面實現完整驗證。這是因為地球引力和環境將淹沒測試結果，只有在空間中利用極其精確的儀器才能觀測引力波的微弱影響。

（3）完全不同的宇宙天文觀測方法

迄今，對于宇宙的全部認識都是基于對可見光、紅外、紫外、無線電、X射線和γ射線等電磁波的觀測。“探路者”將為完全不同的宇宙觀測方法，即引力波觀測鋪平道路。這將允許天體物理學家解答一些關于宇宙最基本的問題。

（4）迄今最高的測量精度

“探路者”將建立一個相當精確的慣性參考坐標系，可精確測量試驗質量塊相對于航天器的微小運動，精度可達10-9m。而且，利用極其精確的激光干涉法可以對“激光干涉儀空間天線技術模塊”內2個試驗質量塊之間的相對運動進行測量，精度將達到10-12m。