2019年12月20日，伴隨著長征四號乙運載火箭的升空，由航天科技集團五院航天東方紅衛星有限公司抓總研制的我國“天琴”引力波探測計劃的首顆技術驗證衛星——天琴一號成功啟航，開啟了它的空間引力波探測技術的探索之旅。
空間探測引力波
1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。通俗來講，因為質量的存在，物體邊界處會發生時空彎曲。引力波就是時空彎曲中的漣漪，當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發生有節奏的增加和減少，引力波探測對于研究宇宙的起源、發展、演變，意義非常重大。
“天琴計劃”是由中山大學校長、中國科學院院士羅俊于2014年提出的、以中國為主導的國際空間引力波探測計劃。擬在地球軌道上部署3顆衛星，組成臂長十幾萬公里的等邊三角形編隊，構成空間引力波探測天文臺，通過激光干涉測距系統來精確測量處于衛星內部的檢驗質量之間距離的微小變化，實現探測引力波的目的。獲取的觀測數據將用于開展引力波、宇宙學、天文學等方面的基礎科學研究。
地面上都已經探測到引力波了，為什么還要到空間去探測呢？
“地面上由于激光干涉測量臂長的限制，只能探測到高頻引力波，要探測到更寬域的低頻引力波，只能到空間上去，形成長達數萬公里到數百萬公里的干涉臂長。”“天琴一號”技術試驗衛星總設計師張立華介紹，空間引力波探測將提供一種全新的天文觀測手段，成為人類觀測宇宙、了解宇宙的新窗口。
空間引力波探測帶來了極大的技術挑戰，很多技術指標高于現有水平數個量級。因此，必須循序漸進、分步實施，通過技術試驗衛星驗證相關技術，待關鍵技術取得實質性突破以后，再去研制能夠在空間探測到引力波的衛星系統。“天琴一號”技術試驗衛星擔負的正是這個使命。
作為空間引力波探測的先行軍，“天琴一號”技術試驗衛星，目的是構建空間高精度慣性基準，驗證相關關鍵技術，為空間引力波探測任務目標的實現奠定技術基礎。而無拖曳控制，則是這顆衛星要重點攻克的難題。
所謂無拖曳控制，就是依靠微推進系統在航天器上施加持續的推力，以此“抵消”航天器在軌道上受到的大氣、太陽光壓等非保守力，為衛星內部“自由懸浮”的檢驗質量提供一個近乎“純引力”的飛行環境。未來，一旦實現了通過激光干涉測距技術精確檢測兩顆衛星檢驗質量之間微弱的距離變化，就具備探測到引力波的能力。
“如果說沒有其他力的作用，兩個在‘純引力’作用下的檢驗質量之間的距離是不變的，在引力波的作用下，距離就會發生變化，但這個變化是極其微小的變化，所以對探測的精度要求非常高，激光干涉測距的精度要達到皮米級。這對航天器的很多性能都帶來了挑戰，例如極高的熱穩定性、結構穩定性以及星間指向的穩定性等。”張立華說。
為實現無拖曳控制技術在軌驗證，“天琴一號”技術試驗衛星配置了高精度的慣性傳感器和微牛級連續可調的冷氣微推進系統，作為無拖曳控制系統的敏感器和執行機構，同時通過高穩定的溫度控制、精準的質心控制，為無拖曳控制提供良好的環境保障。衛星還配置了高精度激光干涉測量系統，進行一些初步的能力驗證，為下一步雙星技術試驗系統的研制奠定基礎。
“地面上的干擾因素比較多，盡管我們通過一些間接的測試加上一些仿真分析能夠對相關指標進行綜合評價，但只有到軌道環境中才能得到更好的驗證，這也是發射天琴一號的初衷。”張立華說。
一種全新的合作模式
在“天琴一號”技術試驗衛星項目中，我國首次采用國家、地方、高校、企業共同聯合研發科學試驗衛星的途徑，有助于發揮政策引領、資金支持、科學研究基礎和工程研制經驗等相結合的優勢。
“作為衛星研制方，我們要做的就是努力幫助科學家實現夢想。”張立華說。空間引力波探測是個世界性的難題，對航天器的性能提出了極高的要求，只有充分發揮各自優勢，形成合力，才能取得實質性的突破。“高校提出科學目標、任務需求，并承擔部分新的科學載荷的研制工作，我們發揮航天工業部門的技術基礎和工程優勢完成衛星的研制工作，兩者結合是一種很好的模式。”張立華說。
作為“天琴一號”技術試驗衛星的用戶單位，中山大學還負責了科學應用系統的建設和運行，在航天東方紅衛星有限公司和各承制單位的支持下，完成衛星的在軌試驗任務協調與管控、數據接收、處理、存檔、分發和數據質量評定。據“天琴一號”技術試驗衛星總體主任設計師黎明介紹，未來天琴計劃的數據有望提供給全世界科學家共同研究。總之，在“天琴一號”技術試驗衛星項目的牽引下，國家、地方、高校、企業密切協作，聯合攻關，技術、科學、應用協同發展的新機制正在形成。
