空间引力波探测综述与拟解决的科学问题

空间引力波探测将为人类探索宇宙打开中低频段（0.1 m Hz～1 Hz）引力波观测的新窗口，这个频段的引力波事件被认为具有更重要的天文学、宇宙学以及物理学意义。其典型的波源包括超大和中等质量黑洞双星的并合、极端和中等质量比黑洞双星的绕转、银河系内数以百万计的致密双星系统以及随机引力波背景等，为研究宇宙起源与演化、黑洞形成与结构、引力和时空本质、暗能量和暗物质属性等提供了全新的方法和手段。21世纪以来，欧美联合的LISA计划成功发射了技术验证卫星LISA探路者，目前LISA计划已进入工程实施阶段，中国太极计划和天琴计划也相继发射了技术实验卫星太极一号和天琴一号，标志着空间引力波探测进入了全新的发展阶段。本文主要概述近年来国内外发展态势，详细凝炼空间引力波探测与研究的科学目标和未来发展的重点领域，系统优化引力波天文学、引力波物理学以及引力波宇宙学等相关学科布局，重点阐述推进空间引力波探测与研究的重要意义和发展战略。     

引力波探测科学任务关键技术

介绍了引力波的基本概念,叙述了引力波产生的原因;调研了国内外地面和空间引力波探测的典型任务,并分析指出了地面与空间引力波探测任务的区别;分析了空间引力波探测任务的相关关键技术,阐释了空间引力波探测未来的技术发展方向;指出引力波探测任务的实施,对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用,对提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义。     

小行星探测电推进系统方案研究

小行星探测以及资源开发与利用对国家抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。电推进具有高比冲、长寿命和高度自主巡航等特点,小行星探测器采用电推进执行巡航阶段轨道机动任务,将大幅减少推进剂重量和提高载重比。调研了国外小行星探测的电推进系统方案,针对我国小行星探测对电推进系统的任务需求及现有电推力器的技术基础,提出了5种电推进系统方案,并进行多维度对比,对最优方案进行了设计和关键技术梳理。     

天琴奏响,空间引力波探测技术验证传来佳音——访天琴一号技术试验卫星总设计师张立华

正2019年12月20日,"天琴"引力波探测计划的首颗技术验证卫星——天琴一号成功发射,开启了它的空间引力波探测技术探索之旅,经过6个月的在轨测试和试验,目前已圆满完成了各项试验任务,实现了对未来空间引力波探测任务进行部分关键技术验证的任务目标。在轨试验任务成功后,天琴一号卫星总设计师张立华接受了本刊记者的专访。     

超精密微牛级微波离子推进技术及其在卫星超精度控制中的应用研究

空间技术的快速发展使得利用空间卫星的编队飞行构建大型空间星座成为可能，在引力波探测、射电望远镜编队、星座组网等任务方面具有重要作用。超精度控制是实现卫星高精度编队飞行的关键技术。推进系统是实现卫星编队长期高度稳定飞行的保证，从而实现内部科学装置的正确运行。不同于常规的推进系统，卫星精密编队超精度控制对推进系统的推力可调范围、分辨率、响应时间、推力的一致性等有着极高的要求。根据卫星精密编队任务需求，对微牛级推进系统的功能及技术要求进行了分析，提出了基于M2微波离子推力器的卫星超精度控制推进系统。阐述了M2超精密微牛级推进系统的关键技术和研究进展，为后续M2推力器在无拖曳控制方面的应用奠定了基础。     

空间核电推进技术发展研究

空间核电推进系统具有高比冲、大功率、大推力和长寿命等特点,广泛适用于未来大型空间探测任务.在调研国外核电推进技术发展和空间应用情况的基础上,针对大型深空探测任务介绍基于核裂变反应堆的核电推进系统国外发展现状,总结核电推进系统所涉及的主要技术内容和已经取得的成果,梳理关键技术,并归纳了核电推进技术的发展趋势,最后对中国发展核电推进技术提出建议.     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展

空间引力波探测任务中的核心科学载荷之一是惯性传感器，旨在探测极其微弱的空间引力波的波纹变化。首先介绍了空间惯性传感器的探测机理和工作原理；然后从电容位移传感、静电反馈控制、地面评价3个方面介绍了惯性传感器设计的关键技术；并且对国内外惯性传感器的发展研究现状进行了梳理，可以看到惯性传感器关键指标为残余加速度噪声，国外在该指标上达到3×10^-15m/s²/Hz^1/2,国内与国外存在着3个量级的差距，因此开展高精度空间惯性传感器研究与设计具有重大战略意义和科学意义，是中国有望赶超世界科技前沿或领跑世界科技研究的重要方向之一。面向中国未来空间引力波探测任务中的惯性传感器需求，可以聚焦于惯性传感器控制体制策略、交流执行机参数优化、多自由度解耦控制技术、低噪声技术这四个方面的研究。     

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

空间电源系统寿命预测技术发展综述

空间飞行器在轨工作期间,电源系统受空间环境及自身工作特性限制,性能会发生衰减,直接影响飞行器的供电和工作寿命。从空间电源系统的工作原理出发,分析了导致能源衰减的主要因素;结合目前国内在电源寿命预测技术方面的进展,提出了目前寿命预测技术所面临的难点及后续的主要攻关方向,为其后续工程化应用和实施提供解决途径。     

高精度霍尔电推进技术的应用与发展研究

在现代化全域通信导航的应用背景下,卫星平台所需具备的精确轨道预测与实时轨道控制能力对电推进系统的推力精度、分辨率等性能提出更高的要求,因此建设高精度的电推进系统具有非常重要的意义。通过对空间应用需求和电推进技术现状的分析,阐明了当前电推进技术的推力输出精度不足以支撑高精度连续导航、超低轨卫星实时阻力补偿以及高分辨率遥感卫星动中成像等空间任务的需求。在此基础上,以霍尔推进系统为研究对象,针对研制高精度推进系统的技术难点,从霍尔推力器技术、流量控制技术、电源及控制技术和试验验证技术四个方面阐述了国内外研究的现状,分析和探讨了关键技术的发展方向和研究思路,为高精度霍尔推进技术未来的重点研究和发展方向提出建议。     

M5型微波离子推力器10000h寿命试验

微波离子电推力器具有体积小、无热阴极、启动时间快、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。为了验证上海航天控制技术研究所研制的一款百瓦级电推力器M5型微波离子推力器的寿命,进行了10000h的寿命和10000次重复启动考核实验,在实验过程中,测试推力器工作性能参数和启动性能,通过对测试数据的分析来判断推力器的工作状态。实验表明M5型微波离子推力器连续累计工作10000h后,性能指标满足设计要求,累计重复启动10000次后启动性能未出现明显下降。证明M5型微波离子推力器寿命超过10000h,重复启动次数大于10000次。     

面向深空探测的30cm离子推力器寿命预估

为评价30cm离子推力器的寿命,提出了有限寿命考核结合栅极仿真模型的推力器寿命预估方法,利用粒子-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法建立了栅孔溅射腐蚀模型,开展了30cm离子推力器寿命预估研究,分析了栅孔刻蚀速率、单孔电场及离子引出特性,给出了30cm推力器寿命预估值。结果表明,栅孔直径仿真与实测值一致性较好,误差在20%以内,基于每个寿命小节栅孔实测值对模型的修正是有效的;根据仿真结果,10000h寿命考核后,减速栅最先失效,30cm离子推力器在最大功率（3kW）工况下预估寿命为37540h,能够满足小天体探测任务对电推进系统的长寿命需求。     

国外电喷推进技术发展与趋势

电喷推进是一种具有高比冲、高效率、快启动、高集成度的微小功率电推进技术,非常适合于微纳卫星轨道转移、位置保持任务和引力波探测器等较大型航天器的高精度姿态控制、无拖曳控制等任务。电喷推进技术概念形成于1960年。国外电喷推进在经历了曲折的发展历程后,从20世纪90年代开始,在微制造、新材料、离子液体、高性能电源等技术大幅进步的推动下,取得了巨大进展,目前已经达到空间应用水平。美国、瑞士、英国研究电喷推进较深入,其中又以美国投入最大、创新最显著、成果最丰富。美国MIT大学提提出并开展了有利于实现高比冲和批产化的iEPS系列电喷推力器芯片研究,近年来主要在开展推力密度和可靠性提升的研究工作。Busek公司主要发展大推力和宽调节电喷推进。密苏里科技大学提出并开展了基于一种含能液体推进剂的、具有化学推进模式和电喷推进模式的化电双模微推进技术研究。密歇根理工大学则提出了基于铁磁流体的流体成型发射体电喷推进技术。本文通过对国外电喷推进发展历程、最新进展的研究,提出了电喷推进发展趋势以及对我国电喷推进发展的建议。     

射频离子推力器研究进展

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积，降低成本，一些新型射频离子推力器相继出现，其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究及发展现状进行了总结，分析了射频离子推进技术中涉及的关键技术，概述了无中和器射频离子推力器的原理及研究进展，给出了射频离子推力器的发展方向和建议.     

无电极洛伦兹力推力器技术发展研究

近年来,为了适应深空探测、载人航天、航天器在轨服务等空间任务的需求,大推力、高比冲、长寿命、高推力密度的高功率电推进技术吸引了众多学者的持续关注.相比于其他类型的高功率电推进技术,无电极洛伦兹力推力器(ELF)在推力密度、推重比等指标上具有明显优势,且从原理上克服了电极烧蚀对高功率电推力器寿命的制约,具有广阔的应用前景.本文针对国内外高功率电推进设备的研究现状,对比ELF推力器研制过程技术途径的异同,详细介绍其各部组件的发展概况,分析研究过程中遇到的问题,提出未来ELF推力器的重点研究方向.