在太空諦聽「時空漣漪」
——我國首顆空間引力波探測星「太極一號」上的蘭州印記
一個世紀前，愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在；而雙黑洞併合產生的引力波2015年才首次在地面被直接觀測到。倘以水面比喻時空，引力波就是引力在時空間留下的漣漪，它為人類探索宇宙奧秘打開了有別於電磁波的全新窗口。中華人民共和國70華誕前夕，我國首顆空間引力波探測技術實驗衛星「太極一號」順利完成第一階段在軌測試任務，我國空間引力波探測翻開裡程碑式的嶄新一頁！這顆「星」再度吸引了世界的目光，而它身上能測定「一隻螞蟻推衛星產生的加速度」、未來實現空間引力波探測的核心設備——「引力參考傳感器」，是由蘭州的中國航天科技集團有限公司五院五一?所（以下簡稱510所）空間環境探測載荷中心為主，與中國科學院長春光學與精密機械研究所合作研製，也是510所已有20年預研基礎的靜電懸浮加速度測量技術的首次在軌應用。510所三代人的堅守，在向「不可能」的極致挑戰中，誕生了「中國首次」！ 蘭州日報社全媒體記者何燕/文 510所供圖
「太極」太急 510所受邀參研
《易經》中，「太極」意味著天地間最原始的狀態。「太極計劃」共同首席科學家、中科院院士胡文瑞曾披露，我國空間引力波探測「太極計劃」由3顆以太陽為中心的衛星組成，呈正三角形編隊，每顆衛星間距300萬公裡，利用高精度星間雷射幹涉測距技術和無拖曳航天技術等實現。空間引力波探測所涉及的核心技術，比如高精度超穩雷射幹涉儀、引力參考傳感器、超穩超靜無拖曳控制、微牛級推進器等，都在「太極一號」上展開可行性和實現途徑在軌實驗驗證。
「我們內部有個說法，『太極』就是太急！接受任務初期感覺根本不可能如期完成。相比研究了七年的空間電場探測儀，這個限期一年的項目讓人感情更深，內心有更多感觸！」45歲的510所空間環境探測載荷中心技術總監雷軍剛，已在「神舟」「張衡一號」等星（船）空間微重力、重力場和空間電場測量等一線科研崗位上拼搏20餘寒暑，是510所「太極一號」項目慣性傳感器技術負責人。
2018年7月8日，胡文瑞院士專程來到510所，邀請510所與中科院長春光機所合作研製中科院空間科學（二期）戰略性先導科技專項首發星——微重力技術實驗衛星（「太極一號」命名前的名稱）的引力參考傳感器（又稱「慣性傳感器」）。它不只是「太極一號」，也是下一階段「太極」關鍵技術雙星驗證星和未來2030年「太極」三星計劃不可或缺的核心載荷。「目前國內長期研究靜電懸浮加速度測量技術的單位中，華中科技大學參與了另外一個計劃——『天琴計劃』，而510所也是國內最優秀的團隊之一，參與了中國科學院的『太極計劃』。」
測得出螞蟻推衛星的加速度
引力波信號極其微弱，實現空間引力波探測，需要突破目前人類精密測量和控制技術的極限，其關鍵技術指標從未在地面實現和測量過，技術難度前所未有。
「太極一號」第一階段在軌測試和數據分析結果表明，510所主研的引力參考傳感器測量精度達到地球重力加速度的百億分之一量級，相當於一隻螞蟻推「太極一號」產生的加速度。「衛星8月31日發射，9月2日晨8時4分至8時12分，我們的慣性傳感器第一次在軌開機！」雷軍剛準確記憶了這一重要時刻，他與王佐磊、敏健三人自9月12日至9月20日持續對傳感器進行在軌性能測試，結果令「太極一號」衛星總、分系統所有科學家歡欣鼓舞。
「不管是太陽照射的最微弱光壓、太空中極稀薄氣體的阻力，還是來自地球的反向輻照壓力，都能用慣性傳感器的技術監測到。」雷軍剛說，慣性傳感器應用了510所具有20年預研基礎的高精度靜電懸浮加速度測量技術。「依靠靜電力，讓一塊長寬各4釐米、高1釐米的方形鈦合金檢驗質量塊懸浮於慣性傳感器敏感結構的重心，它同時也位於『太極一號』的正中心。在軌測試中，它的質心與衛星質量重心的重合度優於0.1毫米！」雷軍剛打了個比方，「好比在過山車上還要端穩一碗水」，這個過程看似簡單，實現極難。這需要引力參考傳感器精確測出檢驗質量塊的加速度和相對位移，再通過精準的靜電反饋控制技術讓它繼續「穩定」在中心位置，實現衛星質心、壓心、自引力中心的「三心合一」。
引力參考傳感器在軌性能測試「達標」，為「太極一號」的微推力器提供準確標定、開展無拖曳控制試驗等發揮了關鍵作用。「太極一號」實現了我國迄今為止最高精度的空間雷射幹涉測量，成功進行了我國首次在軌無拖曳控制技術試驗，並在國際上首次實現了微牛級射頻離子和雙模霍爾電推進技術的在軌驗證。其中，雷射幹涉儀位移測量精度達到百皮米量級（約為一個原子直徑），微推進器推力解析度達到亞微牛量級（相當於一粒芝麻重量的萬分之一）。
幾十微米空間內穩定懸浮
9月21日，在中科院公布「太極一號」第一階段在軌測試結果的次日，「太極計劃」首席科學家胡文瑞院士即赴510所登門道謝。510所引力參考傳感器研製團隊的許多人都哭了，「過程雖然艱辛，但我們沒有辜負科學家的重託！」
「感謝『太極一號』，讓我們所預研了20年的成果首次在軌應用！我們是幸運的，三代人的努力在我們這一代實現，證明了我們行！」男兒有淚不輕彈，510所工藝設計部經理毛俊程說至動情處，已是哽咽難言。
早在1986年，510所前所長達道安提出與德國人合作研究微重力，前瞻性地確定了這一研究方向。2000年起，510所人勇攀高峰，向高精度靜電懸浮加速度測量技術這一最精密的空間測量技術之一發起衝擊，至引力參考傳感器系統主管設計師王佐磊的導師薛大同老師時，已可測出萬分之一至百萬分之一的地球重力加速度。「2008年實現了克服1G重力的六自由度地面穩定懸浮，我們所這項技術當時屬國內首創，測量精度是地球重力加速度的一億分之一。」負責引力參考傳感器靜電懸浮加速度計控制系統研製的510所陳光鋒博士解釋，「靜電懸浮加速度計上天前，首先要做地面懸浮驗證，關鍵先要『浮』起來。」「敏感結構中的檢驗質量塊與上下左右的間隙僅20微米，讓它在幾十微米的空間內穩定懸浮，這就是陳光鋒的本事！」毛俊程說。
「一直到今年2月春節前，距離8月發射僅半年，質量塊還『浮』不起來。」毛俊程說，當時大家頂著壓力，「中心找來了各種『大牛』，還有幾代搞過加速度計的科研人員，一起排查問題。」中科院的專家、領導也坐不住了，準備坐飛機來蘭「督戰」。前一晚，整個團隊還在反覆核對數據，當時還請了航天五院錢學森實驗室的範達博士幫助一起找問題，終於及時排查了高壓耦合幹擾和控制算法缺陷等問題。「專家和領導剛下飛機，我們這邊就『搞定』了。『批鬥會』變成了『慶功會』，大家過了個好年。」毛俊程說。
「漫天風沙」中搜尋微弱信號
引力參考傳感器精度要求非常高，故而對加工精度要求也極高，其中檢驗質量塊加工精度為1微米，其難度令國內最好的光學和機械精密加工單位中最好的精密研磨工人都犯怵。而與檢驗質量塊相連金絲僅為髮絲的1/3粗細，卻肩負著傳遞信號的使命，510所人形象地稱其為「命懸一線」的金絲。
引力參考傳感器的質量塊位移採用了電容位移檢測技術，檢測精度達到十皮米量級，約為原子直徑的十分之一。「這個量級的信號已經極其微弱，電路信號卻如風沙漫天、汪洋大海一般喧囂，要從中尋找到這樣微弱的信號難度可想而知！」李雲鵬說。
「從首席科學家到工程總師都急了！院士、專家問：指標在地面測不了，上天后誰知道？」第二次讓院士專家著急，就是這一關鍵的指標地面測不出怎麼辦？
為此，團隊做了細緻的測試評價工作，把每一項影響因素都列出來，然後對產生原因、影響大小等一一評測，王佐磊所做的地面測試評價分析報告多達幾十頁，有力地預計了在軌的指標。「上天后的指標與我們的評估指標一模一樣。」到在軌性能測試結果出來的那一刻，堅持靜電懸浮加速度測量技術研究工作17年的王佐磊無比自豪。
尾聲
在「太極一號」第一階段在軌測試成功後，雷軍剛感慨萬千填詞一首——《青玉案·微星》：「東風遙祝快舟行，天地闊，微星靜。箭逐日月映初心。南北始動，西東緣起，一載時光凝。光陰有感若引離，微華曳星尋太極。不展眉心夙夜吟，叩思沉問，不覺已明，舉目萬裡清。」
雷軍剛介紹說，靜電懸浮加速度測量技術在未來的空間引力波探測中，將是「測出500萬公裡皮米量級變化」的關鍵設備，還將作為關鍵技術應用於超高精度慣性導航、全球氣候及重力環境研究等重大和前沿空間科學研究和工程應用領域。510所引力參考傳感器的成功研製，標誌著我國在此類最前沿的航天高精尖領域開始發力爭先。