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。     

“抓捕”引力波“太极一号”在行动

正2019年8月,我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——"太极一号"发射成功,今年1月8日,该星被正式交付中国科学院大学。这是我国第一次开展的空间引力波探测技术实验,也是登顶国际空间引力波探测领域的科研高峰、抢占科技制高点的重要抓手,对助力我国基础科学取得重大突破具有重要意义。     

引力波探测中国都能做些什么?

正2月16日,中国科学家公布了正在筹划的一项新的空间探测引力波计划——太极计划。中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞介绍,太极计划的一种方案是在2030年前后发射三颗卫星组成引力波探测星组,用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测,目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其它的宇宙引力波辐射过程。他说,太极计划是一个中欧合作     

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。     

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。     

引力波：“天琴”启航待你奏鸣

正2019年12月20日,伴随着长征四号乙运载火箭的升空,我国"天琴"引力波探测计划首颗技术验证卫星——"天琴一号"技术试验卫星成功启航,开启了它的宇宙探索之旅。"天琴计划"是由中山大学校长、中国科学院院士罗俊提出,以中国为主导的国际空间引力波探测计划。"天琴     

2020年全球重要空间科学发射任务

2020年全球重要的空间科学发射任务约10次，主要集中在行星科学，包括4次火星探测和1次月球探测。中国GECAM卫星、欧洲太阳轨道探测器以及嫦娥五号和火星探测等任务都计划发射升空，为开展空间引力波研究、太阳爆发机制、行星起源和演化等科学前沿取得发现奠定重要物质技术基础。      

精密热控技术在太极一号卫星上的应用

为探测空间引力波，中国科学院提出了太极计划，其第一步是通过近地轨道卫星太极一号对核心载荷的关键技术进行验证.由于温度稳定性直接影响干涉仪测距和加速度的测量精度，太极一号卫星提出了（T±0.1）K的高精度、高稳定度温控指标.针对该指标要求设计热控方案，从热组件的选取到单机设备的应用均依照高指标进行控制.为了保证方案实施的有效性，在热设计实现过程中进行了详细的控制.热控方案采用“恒温笼”的设计思路以及三级控温方式，采取主动与被动相结合的原则，实现了在轨飞行（T±0.005）K的高稳定性温控指标.通过对高精度、高稳定度技术的应用研究发现，热控加热方案、漏热控制、控温仪单机的分辨率、测温电路、控制算法、控制精度、测温元件的测温分辨率仍然是制约高精度控温技术的重要因素.      

航天大会主论坛聚焦发展战略与关键技术

正北斗系统、火星探测、载人登月、空间引力波探测太极计划……9月18日,2020年中国航天大会开幕式结束后,作为中国航天大会规模最大、水平最高、影响最深的核心活动,主论坛邀请15位专家和领导作特邀和主旨报告,共同研讨我国航天发展战略布局、关键核心技术突破、"海上丝绸之路"空间信息产业发展、全球航天与开放合作等热点焦点问题。     

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。     

太阳系天体引力对空间引力波探测日心编队构型的影响分析

针对太极空间引力波探测任务，建立了太阳系天体引力摄动对日心编队构型影响的数学模型，利用仿真手段分析了太阳系中行星和月球、矮行星和小行星引力摄动对空间引力波探测日心编队构型的影响，提出了一种综合考虑小行星到卫星轨道距离和星等的二重筛选方法，能够快速估计小行星相对加速度的上界.分析了日心编队构型卫星初始相位角变化对太阳系天体引力摄动的影响.仿真结果表明，在行星和月球中，地球、金星和木星引力对空间引力波探测编队构型影响较大，行星和月球的引力叠加影响达到-2.78×10-11km·-2.矮行星的引力叠加影响不大于1.25×10-17km·-2，小行星引力的叠加影响不大于1.1180×10-15km·-2.另外，编队卫星受到的太阳系天体引力摄动对编队构型卫星初始相位角的变化不敏感.      

欧洲成功发射“激光干涉仪空间天线探路者”探测器

<正>1引言2015年12月3日,欧洲航天局(ESA)的"激光干涉仪空间天线探路者"(LISA Pathfinder,以下简称"探路者")探测器由"织女星"(Vega)运载火箭发射升空,该探测器将测试空间引力波探测所需的技术。引力波的概念源于爱因斯坦的广义相对论,其中一项重要的预言就是存在引力波。引力波是物质运动或物质体系的质量分布发生变化时产生的一种     

引力波之波

正2月11日,美国科研人员宣布利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波,从而印证了著名物理学家爱因斯坦100年前的预言。有人如此形象地解释"引力波":如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的"时空涟漪"。此次探测到的引力波虽然极其微弱,但它引起的反响却极为强烈,掀起的绝非层层"涟漪",而是层层"巨浪"。     

航天器内部磁场环境主动补偿方法

为解决空间引力波探测任务中航天器磁场对惯性传感器干扰的问题，研究在航天器复杂磁环境下利用主动测控方式获取小尺度均匀磁场环境的方法.在惯性传感器周围进行分布式磁场探测，并采用球谐函数法或多磁偶极子法实现对惯性传感器外部磁源的估计，计算惯性传感器所处位置的空间磁场及其梯度分布.利用线圈技术，对磁场及其梯度进行线性补偿.讨论分析传感器数量以及磁源布局方式等因素对最终补偿效果的影响.仿真试验结果表明，通过这一方法可将惯性传感器所在区域的磁场及其梯度降低1～2个数量级，降低引力波航天器平台的剩磁控制压力，为引力波探测提供满足要求的磁场环境.      

基于FEM的引力参考传感器自引力计算与补偿

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在■以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起的自引力噪声是检验质量的残余加速度噪声主要来源之一,要求检验质量在敏感轴方向的自引力加速度小于1×10^-10m/s²,引力梯度小于5×10^-8s^-2。为了计算检验质量处的自引力大小和引力梯度,针对检验质量与引力源几何形状的不规则性,基于有限元法编写程序计算了引力参考传感器中的引力源作用在检验质量上的线加速度、角加速度和引力梯度。为了缩短计算时间,提出“类自适应”网格划分方法以减小网格数量,并设计了配重以补偿自引力。计算结果显示,经过补偿后的检验质量在敏感轴方向的自引力加速度为9.237 7×10^-12m/s²,引力梯度为-2.569 1×10^-8s^-2,满足设计要求。本研究能够为航天器和引力参考传感器的设计与引力补...     

小行星探测发展综述

小天体上保存着太阳系形成初期的原始成分,同时可能蕴含着地球生命与水起源的重要线索,是研究太阳系起源和演化历史的活化石。近年来,小行星探测已成为主要航天国家深空探索领域的重点发展目标之一。简要总结了国际上小天体探测历程,对小行星探测的研究和发展趋势进行了综述,重点探讨了未来小行星探测任务面临的主要关键技术,并对中国后续开展小行星探测活动提出了相关建议。     

“探测二号”卫星发射成功

北京时间 7月 2 5日 1 5时 0 5分 ,“探测二号”卫星成功地从太原卫星发射中心发射升空 ,30分钟后准确进入预定轨道。中国科学家于 1 997年提出的“地球空间双星探测计划”得以真正实现。“地球空间双星探测计划”由中国科学院主持 ,由两颗以大椭圆轨道绕地球运行的小卫星组成。此次发射的“探测二号”卫星与已在轨运行的“探测一号”卫星构成了具有创新特色的星座式独立探测体系。这一计划与欧洲空间局“星簇计划”组成的联合观测项目 ,将在人类历史上首次对地球空间进行六点立体探测。“探测二号”卫星质量约为 343kg ,设计寿命 1 2个月 ,…     

空间引力波探测微牛电推进寿命评估研究现状

阐述了空间引力波探测任务中无拖曳控制技术对推进系统的特殊要求，介绍了目前主要的备选推进类型：冷气推进、离子电推进、会切型霍尔电推进、胶体电推进。针对面向空间引力波探测任务的电推进系统的寿命评估工作进行了任务分析，报告了目前微牛级电推进系统寿命试验研究现状，举例说明了目前主要应用的电推进装置寿命预测方式，包括半经验模型预测、数值模拟预测、基于数据驱动的预测以及系统层面的可靠性评估方法。对目前微牛级电推进系统的寿命评估研究现状进行总结，给出了发展思路。     

我国小天体探测任务设想

正小天体是太阳系重要的组成部分。研究普遍认为,小天体保留了早期太阳系起源、形成与演化时的重要信息,可能蕴含着地球生命起源的重要线索,是研究太阳系起源的"活化石"。开展小天体探测在揭示生命起源、推动技术进步、开发天然资源、保护地球安全等方面意义重大,影响深远。小天体探测任务是我国行星探测重大工程规划的又一个标志性项目,将通过一次任务,实现对近地小行星的近距探测、采样返回以及对主带彗星的探测,有望突破多项关键技术,获取原创性科学成果,进一步提升我国的深空探测技术能力,力争在小天体探测技术领域进入国际先进行列。     

深空探测进展与开展我国深空探测的思考

□□《中国的航天》白皮书中已提出：“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究。”为此，我国应根据航天科技发展的水平，参考各航天国家的空间探测计划，制定本世纪前30年的深空探测计划，其对象以太阳系空间为主，兼顾宇宙空间的观测。 深空探测的总体目标可归纳为：① 探索太阳系和宇宙（包括生命）的起源和演化；② 开发和利用空间资源（空间环境、能源和资源等）；③ 发展空间技术，推进科学技术的进步；④ 扩展人类的生存空间；⑤ 为人类社会长期的可持续发展服务。 当前，深空探测是在卫星应用、载人航天与空间站取得重大成就的基…