空間引力波探測航天器關(guān)鍵技術(shù)分析

胡越欣 張立華 高永 魏然 譚定銀 段會宗 王麗嬌

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(2 北京控制工程研究所，北京 100094)(3 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(4 華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，武漢 430074)(5 中山大學(xué) 天琴中心，廣東珠海 519082)

2016年，美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)地面引力波探測實驗宣布首次探測到引力波，人類進入利用引力波來探測宇宙的全新時期。LIGO通過在地面建設(shè)大型激光干涉儀探測引力波，每條激光臂長4 km，主要用于探測太陽質(zhì)量大小的恒星級黑洞并合產(chǎn)生的10 Hz～1 kHz頻段引力波[1]。更低頻的由百萬太陽質(zhì)量級別的超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的毫赫茲附近頻段的引力波，則需要臂長為10萬千米級別的激光干涉儀進行探測。這時，只能將整個探測器放置到太空中，進行空間引力波探測。因此，空間引力波探測具有比地面探測更豐富的波源和更遠的探測距離，其科學(xué)研究前景巨大。

空間引力波探測的前景伴隨著空前的技術(shù)挑戰(zhàn)?？臻g引力波探測對各方面技術(shù)指標的極高要求，需要解決一系列新問題，主要包括以下幾個方面。首先，空間引力波探測利用若干個參考物體(稱為檢驗質(zhì)量)的自由落體運動來勾畫出背景時空的曲率特征。因此，空間引力波探測要求各個檢驗質(zhì)量只在引力的影響下運動。在真實的試驗環(huán)境中，任何一個物體都不可能只受引力的影響，因此必須將其他非引力因素的干擾消減或補償?shù)娇山邮艿姆秶鷥?nèi)。其次，空間引力波探測中檢驗質(zhì)量被放置到十幾萬到上百萬千米的間距上，再利用激光測量兩者間距離的變化。激光光束經(jīng)過長距離傳播，再加上航天器之間的相對運動所產(chǎn)生的效應(yīng)，光束的特性會發(fā)生相應(yīng)的變化，如光功率衰減、激光頻率漂移、波前畸變等。這類變化的效應(yīng)在其他試驗中通?？梢员缓雎缘?，但是對于空間引力波探測而言，則需要充分加以考慮。再次，典型的空間引力波探測方案都要求采用3個以上航天器并保持高精度的編隊。在這個過程中，既要保證航天器間激光鏈路的精確指向，又必須抑制不等臂長干涉測量所引入的測量噪聲。因此，需要航天器平臺軌道與姿態(tài)控制、無拖曳控制、器間光束指向測控等幾個方面之間的高度協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)對3個(或更多個)航天器的幾十個動力學(xué)自由度的自主協(xié)同控制。最后，為了配合高精度慣性基準、高精度器間激光干涉測量，以及高精度大型航天器編隊的實現(xiàn)，航天器平臺本身需要具體苛刻的性能特性和高精度控制能力，比如需要具備極強的溫度控制能力和熱穩(wěn)定性、磁環(huán)境控制能力和極低的結(jié)構(gòu)噪聲等。

空間引力波探測的核心技術(shù)是在建立高精度空間慣性基準平臺上進行高精度的器間激光干涉測量，也就是建立超靜超穩(wěn)的高精度空間慣性基準和實現(xiàn)高精度激光干涉測量。本文針對實現(xiàn)高精度空間慣性基準平臺與高精度激光干涉測量所需的航天器關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并對天琴一號在軌完成的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)指標進行了介紹，最后給出了關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議。

1 空間引力波探測航天器計劃

在國際空間引力波探測領(lǐng)域，空間引力波探測計劃主要包絡(luò)歐洲激光干涉儀空間天線(LISA)計劃[2-3]，日本分赫茲干涉引力波天文臺(DECIGO)計劃[4]，中國天琴計劃[5]和太極計劃[6]?？臻g引力波探測任務(wù)均采用3個航天器構(gòu)成三角形編隊，航天器之間保持一定的距離，根據(jù)測量波段的選擇，航天器間的距離從幾千千米到上億千米不等，通過高精度慣性傳感器測量作為非保守力敏感器，微牛級變推力器作為執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)無拖曳控制消除非保守力帶來的干擾因素，并通過高精度的激光干涉測距技術(shù)實現(xiàn)空間引力波信號的探測。測量頻段通常在0.1 mHz～1.0 Hz，慣性敏感器的測量精度達到1×10-15m/(s2·Hz1/2)，航天器間激光測距精度在數(shù)十萬千米到數(shù)百萬千米距離上達到10-12mHz1/2量級[7]。

在LISA計劃中，2034年將發(fā)射3個完全相同的無拖曳控制航天器組成編隊，每個航天器各自按類地球軌道繞太陽飛行。3個航天器兩兩間距離約為250萬千米，落后地球約為20°，航天器組成的平面與黃道面夾角約為60°。3個航天器組成3個非獨立的夾角約為60°的邁科爾遜干涉儀，用來測量航天器間由引力波引起的距離變化。每個航天器同時裝載2個檢驗質(zhì)量，作為3個邁科爾遜干涉儀的端點及無拖曳航天器所需的慣性傳感器。LISA主要探測0.1 mHz～1.0 Hz頻段內(nèi)的引力波[8]，示意見圖1。

圖1 空間引力波探測LISA計劃

日本在2001年提出了空間引力波探測DECIGO任務(wù)概念。其主要目標是探測中頻引力波(0.1～10.0 Hz)，填補LISA與地面引力波探測裝置之間的頻率空白。DECIGO包含3個干涉臂，每個干涉臂長1000 km，鏡面直徑1 m。DECIGO與LISA等空間引力波探測方案的重大區(qū)別是采用F-P腔模式的激光干涉臂[4]。DECIGO原計劃2020年中期發(fā)射，目前有較大延后，沒有進一步明確的發(fā)射時間表。

中國天琴計劃預(yù)計于2035年發(fā)射3顆相同的衛(wèi)星構(gòu)成一個等邊三角形編隊，每顆衛(wèi)星內(nèi)部包含完全懸浮起來的參考物體。衛(wèi)星將進行高精度無拖曳控制，以抵消太陽風(fēng)或太陽光壓等造成的細微非引力擾動，從而保證參考物體只在引力的作用下運動。高精度的激光干涉測量技術(shù)將被用來記錄參考物體之間的細微距離變化，用于獲得有關(guān)引力波的信息。天琴計劃的3顆衛(wèi)星將在以地球為中心、高度約10萬千米的軌道上運行[9]，示意見圖2。

圖2 空間引力波探測天琴計劃

中國太極計劃，在軌道構(gòu)型、臂長選取等各個方面都與歐洲LISA非常接近。

通過對國內(nèi)外空間引力波探測計劃的研究，高精度的激光干涉測距是獲取空間引力波信號的基本手段，航天器的內(nèi)部檢驗質(zhì)量在空間中沿測地線運動是空間引力波探測的基本條件。為了實現(xiàn)這個目標，需要為激光測距提供一個超靜超穩(wěn)的航天器平臺，控制檢驗質(zhì)量受到的外界干擾水平并保證激光干涉測距與慣性傳感器測量的超高精度。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 航天器各關(guān)鍵技術(shù)分析與指標分解

為了實現(xiàn)空間引力波探測，航天器研制還有許多技術(shù)難點需要解決，主要體現(xiàn)在以下4個方面。

(1)構(gòu)建一個超靜航天器平臺，可以保證航天器內(nèi)部的檢驗質(zhì)量在近純引力的影響下運動，將其他非引力因素和干擾抑制或補償?shù)揭粋€可以接受的范圍，這樣可以通過若干個檢驗質(zhì)量的自由落地運動勾畫出背景時空的曲率特征。

(2)通過激光干涉測量技術(shù)實現(xiàn)幾十萬至幾百萬千米間精確測量出2個檢驗質(zhì)量的微小位移變化，要求航天器平臺提供一個超穩(wěn)的測量平臺，確保激光干涉測量系統(tǒng)測量出的微小位移變化確實由引力波引起。

(3)保證3個航天器構(gòu)成并保持高精度的編隊或星座，實現(xiàn)高精度的軌道測量、確定和控制。為此，需要實現(xiàn)高精度的航天器姿態(tài)控制和無拖曳控制技術(shù)，并與高精度的器間光束指向控制等諸多方面協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)多自由度條件下對航天器的自主協(xié)同控制。

(4)實現(xiàn)高精度慣性基準、高精度器間激光干涉測量及高精度編隊飛行，需要超穩(wěn)航天器平臺具備超強的溫控能力與熱穩(wěn)定性，超低的結(jié)構(gòu)噪聲和超高的機構(gòu)穩(wěn)定性，另外，在磁穩(wěn)定性上也有極高的要求。

通過以上分析，要實現(xiàn)空間引力波探測，航天器平臺需要達到以下指標：①航天器激光干涉測距方向的無拖曳控制要使檢驗質(zhì)量處的加速度噪聲水平控制在10-15m/(s2·Hz1/2)量級；②航天器關(guān)鍵部位熱穩(wěn)定度需要達到10-6K/Hz1/2量級；③航天器間指向控制精度達到10 nrad；④航天器內(nèi)部檢驗質(zhì)量處磁場控制達到10 μT；⑤航天器自引力控制要達到1 nm/s2。目前，國內(nèi)外已有的航天器平臺與上述指標相比，基本存在1個甚至幾個數(shù)量級的差距，本文從頂層出發(fā)將上述技術(shù)指標拆解為航天器平臺需要深入研究和攻關(guān)的各項關(guān)鍵技術(shù)，具體如下。

(1)無拖曳與姿態(tài)控制技術(shù)。無拖曳技術(shù)是實現(xiàn)空間引力波探測的關(guān)鍵技術(shù)，需要精確測量出非保守力并基于自適應(yīng)、智能等控制方法利用微牛級可變推力系統(tǒng)消除非保守力對航天器的影響，檢驗質(zhì)量處的加速度噪聲水平控制在10-15m/(s2·Hz1/2)量級，使3個航天器激光干涉臂相互對準精度達到10 nrad水平。

(2)連續(xù)可調(diào)微推進技術(shù)。作為完成無拖曳與姿態(tài)控制的執(zhí)行機構(gòu)，航天器在軌會受到太陽光壓等環(huán)境干擾力的影響，這些干擾力都是微牛級的，并且具有連續(xù)變化的特點，為了達到檢驗質(zhì)量處的加速度噪聲水平控制在10-15m/(s2·Hz1/2)量級，完成空間引力波探測的連續(xù)可調(diào)推進需要達到0.1 μN的分辨率和噪聲控制。

(3)超穩(wěn)定材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)。要使3個航天器激光干涉臂相互對準精度達到10 nrad，在完成高精度航天器姿態(tài)控制的前提下，必須要求航天器擁有良好的機構(gòu)穩(wěn)定性，使由于結(jié)構(gòu)形變引入的指向偏差滿足空間引力波探測要求。

(4)超穩(wěn)定溫度控制技術(shù)。高精度激光干涉測量系統(tǒng)與慣性測量敏感器的測量精度對穩(wěn)定性要求極高，按照空間引力波探測需求，光學(xué)平臺等關(guān)鍵部位的溫度穩(wěn)定控制水平要達到10-6K/Hz1/2量級，必須發(fā)展新的熱控方法與手段解決超高精度控制問題。高精度熱控問題是一個系統(tǒng)性問題，要從軌道選擇、機構(gòu)布局、工作模式設(shè)計等方面統(tǒng)籌考慮，保證內(nèi)外熱流的穩(wěn)定性。

(5)航天器質(zhì)心及自引力控制技術(shù)。航天器自身的引力作用會增加檢驗質(zhì)量測量頻段的加速度噪聲，因此要以檢驗質(zhì)量為中心進行自引力精細設(shè)計，保證檢驗質(zhì)量盡可能地靠近航天器的質(zhì)心，同時增加質(zhì)心調(diào)節(jié)手段完善在軌質(zhì)心標定技術(shù)，確保自引力引入的加速度噪聲滿足空間引力波探測需求。

目前，許多科研機構(gòu)對空間引力波探測航天器關(guān)鍵技術(shù)在各個領(lǐng)域進行技術(shù)攻關(guān)，天琴計劃采取分步走的措施進行漸進式的攻關(guān)，具有代表意義。

2.2 天琴一號關(guān)鍵技術(shù)驗證

空間引力波探測技術(shù)難度大，許多關(guān)鍵技術(shù)指標離現(xiàn)實還有巨大差距，因此需要進行分步走的策略完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。天琴計劃中的第1顆技術(shù)試驗衛(wèi)星天琴一號作為驗證空間引力波探測技術(shù)的試驗衛(wèi)星，在2019年12月20日成功發(fā)射，其主要目標是構(gòu)建一個高精度慣性基準并對空間引力波探測的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行驗證，具體包括：①無拖曳控制技術(shù)；②高精度慣性測量技術(shù)；③微牛級連續(xù)可調(diào)微推進技術(shù)；④高穩(wěn)定溫度控制技術(shù)；⑤高穩(wěn)定質(zhì)心控制技術(shù)。

天琴一號衛(wèi)星包括平臺和試驗載荷兩大部分，見圖3。其中：平臺由結(jié)構(gòu)與機構(gòu)、熱控、控制、能源、測控、星務(wù)組成；試驗載荷包括慣性傳感器系統(tǒng)、激光干涉測量系統(tǒng)、高精度測控溫系統(tǒng)、微牛級變推力系統(tǒng)和無拖曳控制系統(tǒng)5個部分。

圖3 天琴一號衛(wèi)星組成

天琴一號衛(wèi)星配置1臺高精度慣性傳感器作為衛(wèi)星受到非保守力的測量敏感器，安裝1臺連續(xù)可調(diào)微牛級推力器抵消衛(wèi)星受到的非保守力，通過無拖曳控制器使衛(wèi)星實現(xiàn)無拖曳控制，無拖曳控制包含加速度無拖曳控制與位移無拖曳控制模式。高精度溫控組件對關(guān)鍵載荷進行高精度溫控，保證關(guān)鍵載荷的工作穩(wěn)定性。另外，在軌通過高精度慣性傳感器輸出數(shù)據(jù)進行高精度的質(zhì)心檢測。各關(guān)鍵技術(shù)指標與實現(xiàn)情況見表1。

表1 關(guān)鍵技術(shù)指標與實現(xiàn)情況

3 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議

為了滿足未來空間引力波探測任務(wù)的需求，航天器平臺重點應(yīng)從位移模式的無拖曳控制、微牛級連續(xù)可調(diào)微推進技術(shù)等技術(shù)重點攻關(guān)，航天器載荷從質(zhì)心檢測、高精度慣性測量技術(shù)等技術(shù)突破提高。

3.1 位移模式無拖曳控制

雖然天琴一號衛(wèi)星獲得了國內(nèi)第1個位移模式無拖曳控制收斂結(jié)果，但也存在多組位移模式無拖曳控制在軌試驗發(fā)散的情況。分析這些發(fā)散現(xiàn)象，可以判定無拖曳推進最大推力不足，而且該無拖曳控制自由度與檢驗質(zhì)量另外5個靜電懸浮控制自由度存在耦合，因此無拖曳控制對象的實際模型十分復(fù)雜。另外，慣性傳感器檢驗質(zhì)量塊負剛度系數(shù)在軌實際數(shù)值較大，導(dǎo)致最大推力不足。由此可見，從目前我國位移模式無拖曳技術(shù)水平到滿足空間引力波探測科學(xué)衛(wèi)星研制，還有很長的路要走。

ESA在2015年發(fā)射并在軌試驗成功的LISA探路者(Pathfinder)衛(wèi)星由剛性衛(wèi)星及其內(nèi)部2個參考質(zhì)量組成，共有18個運動自由度。其中：參考質(zhì)量1，2具有x1，y1，z1，θ1，y2，z2共6個自由度進行無拖曳控制，并且平動自由度x1與轉(zhuǎn)動自由度θ1耦合在一起構(gòu)成多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)[10-11]。LISA、天琴和太極引力波探測科學(xué)任務(wù)航天器，按目前規(guī)劃均由1個剛性環(huán)形艙體與其環(huán)內(nèi)Y形激光干涉儀組成，在Y形激光干涉儀上部2個叉臂內(nèi)籠框中分別懸浮1個長方體檢驗質(zhì)量。叉臂頂端各安裝1臺激光望遠鏡，并且其中1臺望遠鏡具有垂直于激光干涉儀平面的1個轉(zhuǎn)動自由度。因此，單個航天器共有19個自由度。后續(xù)位移模式無拖曳技術(shù)研究具體包括：①高精度航天器控制對象建模技術(shù)；②位移模式無拖曳與姿態(tài)指向控制技術(shù)；③位移模式無拖曳控制效果評估技術(shù)；④無拖曳控制系統(tǒng)模型參數(shù)辨識技術(shù)；⑤無拖曳系統(tǒng)轉(zhuǎn)入科學(xué)測量模式序列優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；⑥無拖曳控制數(shù)值與物理仿真技術(shù)。

3.2 微牛級連續(xù)可調(diào)微推進技術(shù)

未來引力波探測需要更高的推力精度、更低的推力噪聲，以及更寬的推力范圍，因此需要對微牛級變推力冷氣推力器、射頻離子推力器、場效應(yīng)推力器及會切型霍爾推力器在未來空間引力波探測領(lǐng)域應(yīng)用的可行性進行分析、論證。

(1)冷氣微推力器。它主要包括氣瓶、減壓模塊、推力器模塊和控制電路模塊。氣瓶中充高壓氣體，選擇氮氣作為推進劑。減壓模塊把高壓氣體減壓到推力器的工作壓力。推力器模塊根據(jù)控制指令設(shè)置的推力，調(diào)節(jié)帶噴嘴的比例閥的噴嘴喉部面積，達到相應(yīng)的質(zhì)量流量，產(chǎn)生相應(yīng)大小的推力。為維持某設(shè)定好的推力，可根據(jù)質(zhì)量流量傳感器實時測量氣體質(zhì)量流量，微調(diào)帶噴嘴的比例閥的喉部面積，使氣體質(zhì)量流量在極小的范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)推力的閉環(huán)控制。微牛級冷氣變推力推進系統(tǒng)的推力范圍較寬，可達0.1～1000.0 μN，但是比沖較低，僅30～60 s，適用于對太陽光壓等量級較小的非保守力進行補償[12]。

(2)射頻離子推力器。它主要基于射頻感性耦合等離子自持放電。質(zhì)量流量控制器可實現(xiàn)高精度氣體工質(zhì)流量控制，氣體工質(zhì)流經(jīng)推力器中的氣體分配器進入放電室。當(dāng)射頻電流加載到射頻天線時，在放電室內(nèi)部會形成電磁場，電子在電場中獲得能量與中性原子碰撞，使其發(fā)生電離，形成射頻等離子體自持放電。放電室中的離子由離子光學(xué)系統(tǒng)加速引出，產(chǎn)生推力。此外，中和器發(fā)射電子流，中和推力器的離子束流，使射頻離子推進系統(tǒng)保持電中性[13]。

(3)場效應(yīng)推力器。它與膠體推力器工作原理相同，在毛細力和強電場的電場力作用下，液體工質(zhì)在發(fā)射極表面形成泰勒錐并產(chǎn)生場致離子發(fā)射效應(yīng)，可以得到較高的比沖。2種推力器不同點在于工質(zhì)不同，場效應(yīng)推力器的工質(zhì)為液態(tài)金屬，而膠體推力器的工質(zhì)為離子液體，膠體推力器優(yōu)點是發(fā)射極可以采用多孔材料，降低加工工藝難度，但需要增加微泵驅(qū)動液體工質(zhì)。2種推力器的壽命都受限于發(fā)射極，對于長期空間任務(wù)首先需要攻克發(fā)射極材料腐蝕難題[13-14]。

(4)會切型霍爾推力器。會切型霍爾推力器的特點在于放電通道形狀為圓柱形，磁場是由通道外極性相反的多級環(huán)形永磁體形成的會切型磁場。其余部件與傳統(tǒng)霍爾推力器類似，在通道上游設(shè)置陽極和氣體分配器，推力器外側(cè)下游安裝陰極。在推力器工作過程中，陰極釋放的電子受到電場影響進入推力器內(nèi)部被磁力線捕獲，在磁鏡效應(yīng)的作用下電子在通道內(nèi)部磁尖端處往復(fù)螺旋運動，在此過程中部分電子會與通道內(nèi)的工質(zhì)氣體發(fā)生碰撞并電離形成新的離子和電子，發(fā)生雪崩電離。電子經(jīng)過多次傳導(dǎo)后到達陽極形成放電回路，離子則在電場作用下加速噴出形成推力[15]。

3.3 高穩(wěn)定溫度控制技術(shù)

高精度溫度控制是傳熱過程控制，系統(tǒng)熱設(shè)計的合理性制約著控溫效果；而高精度溫度測量是實現(xiàn)高精度控溫的前提和基礎(chǔ)。自主控制策略與合理熱設(shè)計配合，才能實現(xiàn)精密控溫。因此，一個高精度控溫系統(tǒng)的性能取決于系統(tǒng)多級熱控和高精度測控溫技術(shù)。

對于系統(tǒng)熱控設(shè)計，主要采用偏低溫、多級隔熱和分級主動控溫加熱設(shè)計，在通過多級隔熱盡量減小熱擾動的前提下，使用主動控溫技術(shù)對熱擾動進行抑制。LISA的光學(xué)平臺通過多級隔熱技術(shù)，將外熱流的影響降低至輸入熱流的0.06‰[16-17]。

對于測控溫技術(shù)，當(dāng)前使用的電子學(xué)測溫技術(shù)由于電路噪聲、敏感器噪聲等一系列測溫鏈路噪聲存在，幾乎不可能實現(xiàn)10-6K/Hz1/2量級的直接溫度測量?；陔娮訉W(xué)測量系統(tǒng)的測溫技術(shù)，一般是在自身極限測量能力的基礎(chǔ)上進行數(shù)值運算，以消除基底噪聲，此類方法噪聲水平可以達到3×10-5K/Hz1/2。由于直接測量無法達到引力波探測要求的1×10-6K/Hz1/2的熱噪聲測量要求，通常的做法是對安裝界面至檢驗質(zhì)量之間的導(dǎo)熱路徑做進一步熱分析，通過數(shù)值分析確定最終檢驗質(zhì)量的熱噪聲水平。

基于天琴一號，在后續(xù)的超低噪聲熱控技術(shù)發(fā)展中，主要的工作方向為：①基于負溫度系數(shù)(NTC)測溫系統(tǒng)的超低熱噪聲測量系統(tǒng)；②基于比例-積分-微分(PID)控制算法的穩(wěn)流輸出控溫系統(tǒng)；③基于多種隔熱材料耦合的多級隔熱系統(tǒng)；④大熱流變化及復(fù)雜整星工作模式的熱流衰減超低噪聲控制系統(tǒng)；⑤超低頻超低熱噪聲地面半物理仿真平臺；⑥基于傅立葉變換的溫度頻譜分析及超低噪聲評價準則。

3.4 質(zhì)心檢測

2021年年底中國發(fā)射的科學(xué)探測衛(wèi)星，對質(zhì)心檢測與修正的指標要求與美國重力校正和氣候?qū)嶒?GRACE)衛(wèi)星一致，即：①在軌3軸質(zhì)心標定精度優(yōu)于50 μm；②在軌3軸質(zhì)心偏差小于100 μm。科學(xué)探測衛(wèi)星初步測試結(jié)果表明，質(zhì)心檢測與修正任務(wù)均達到指標要求。后續(xù)隨著姿態(tài)敏感器與慣性測量敏感器測量精度的進一步提高，研制高精度質(zhì)心調(diào)節(jié)機構(gòu)，質(zhì)心檢測與修正技術(shù)有望進一步提高。

3.5 高精度慣性測量技術(shù)

靜電加速度計相比其他類型的加速度計，具有精度高、結(jié)構(gòu)對稱、體積小，以及能夠?qū)崿F(xiàn)6個自由度同時測量的特點。從20世紀70年代以來，高精度靜電加速度計在重力衛(wèi)星、引力波探測等空間項目中得到成功應(yīng)用驗證，已成為航天領(lǐng)域重要的載荷之一。目前，國際上已發(fā)射的3顆重力衛(wèi)星中星載加速度計均采用法國宇航材料研究局(ONERA)研制的靜電加速度計[18-20],其靜電分辨率從10-8m/(s2·Hz1/2)量級提高到10-12m/(s2·Hz1/2)量級。天琴一號衛(wèi)星實現(xiàn)了設(shè)計分辨率達10-12m/(s2·Hz1/2)量級的慣性傳感器在軌驗證，未來面向空間引力波探測計劃的科學(xué)需求，其慣性傳感器的分辨率需求更是達到10-15m/(s2·Hz1/2)量級[21-22]。更高的技術(shù)指標要求，需要深入開展更高精度慣性傳感器的技術(shù)攻關(guān)，包括高精度探頭研制、高精度位移傳感器技術(shù)、電荷測量與電荷管理技術(shù)，以及高精度的地面測試技術(shù)等研究。

4 結(jié)束語

空間引力波探測對航天器提出了更高的指標要求，也帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。歐美與中國等在空間引力波探測領(lǐng)域均獲得了巨大的進步，例如歐洲的LISA Pathfinder技術(shù)驗證任務(wù)圓滿成功，中國的天琴一號衛(wèi)星各項關(guān)鍵技術(shù)在軌成功驗證。隨著中國天琴二號衛(wèi)星的立項與啟動研制，將繼續(xù)開展各項關(guān)鍵技術(shù)的研究與在軌驗證工作，盡早實現(xiàn)中國空間引力波探測的目標。