2019年8月31日，中國科學(xué)院在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了一顆名為“太極一號”的衛(wèi)星，這是中國首顆空間引力波探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)空間引力波探測打下基礎(chǔ)。

備受諾獎(jiǎng)青睞，要發(fā)現(xiàn)它卻很難

    一個(gè)世紀(jì)前，愛因斯坦基于廣義相對論就預(yù)言了引力波的存在。然而，直到2015年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）才在地面探測到了引力波信號。三位美國科學(xué)家Rainer Weiss、Barry C. Barish 和Kip S. Thorne也因此獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

    不僅如此，國際上普遍認(rèn)為，如果有人能在空間探測到引力波，獲得更多頻段的引力波信號，同樣能獲得諾貝爾級獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

   發(fā)現(xiàn)它就能拿諾獎(jiǎng)，探測引力波為什么這么難？

    引力波是物質(zhì)和能量劇烈運(yùn)動和變化引發(fā)的時(shí)空漣漪，它在傳播過程中擠壓或者拉伸時(shí)空，就像水面泛起的漣漪一般，以光速向外傳播。

    太空中引力波信號十分微弱，目前最好的方法就是利用光學(xué)手段，通過探測兩個(gè)相距上百萬公里的自由漂浮物體之間的距離變化來捕獲引力波。

    說起來簡單，但這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度超乎人們想象，堪稱挑戰(zhàn)人類目前所掌握的技術(shù)極限。

    早在2008年，由中科院發(fā)起，院內(nèi)外多家單位參與，以中國科學(xué)院力學(xué)研究所胡文瑞院士為召集人成立空間引力波探測論證組，開始規(guī)劃我國空間引力波探測在未來數(shù)十年內(nèi)的發(fā)展路線圖。2016年，中科院啟動了空間引力波探測計(jì)劃——太極計(jì)劃。2018年，中科院“太極計(jì)劃”先行者——“太極一號”任務(wù)立項(xiàng)，太極計(jì)劃成員自此進(jìn)入緊張的型號任務(wù)研制階段。

    考慮到引力波探測的難度，太極計(jì)劃分多步進(jìn)行。“太極一號”任務(wù)是第一步，主要是在軌驗(yàn)證空間引力波探測的關(guān)鍵技術(shù)，包括高精度超穩(wěn)激光干涉儀、引力參考慣性傳感器、超穩(wěn)超靜平臺、無拖曳控制和微牛級推進(jìn)系統(tǒng)。

    其中的每一項(xiàng)技術(shù)都十分復(fù)雜，而且非常重要。眾所周知，火箭的發(fā)射、宇宙飛船和衛(wèi)星在太空中的運(yùn)行都離不開發(fā)動機(jī)（發(fā)動機(jī)即推力器）。

    在太空中，光壓、宇宙射線輻射等作用在航天器上的微牛級非保守力，都會影響衛(wèi)星的超穩(wěn)狀態(tài)，因此需要開發(fā)微牛級推進(jìn)系統(tǒng)以抵消非保守力對衛(wèi)星平臺的影響。射頻離子發(fā)動機(jī)，就是其中之一，同時(shí)，它也是世界上最先進(jìn)的衛(wèi)星發(fā)動機(jī)之一。

圖1 航天器“新武器”——射頻離子發(fā)動機(jī)工作原理

圖片來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所

航天推進(jìn)系統(tǒng)中的“新武器”

    射頻離子發(fā)動機(jī)，顧名思義，是靠吸收射頻能量（也就是頻率為300 kHz – 300 GHz的交流電）來維持其等離子體自持放電并產(chǎn)生推力的裝置。

  “等離子體”是我們所熟知的自然界物質(zhì)的第四物態(tài)（氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)和等離子體態(tài)），在生活中隨處可見，如熒光燈、霓虹燈、氙燈和閃電等。簡單來說就是電離了的“氣體”，由離子、電子以及未電離的中性粒子組成，整體呈電中性，但具有導(dǎo)電特性。

    而射頻離子發(fā)動機(jī)就是將等離子體中帶正電荷的離子通過高壓電場引出并加速，以幾十公里每秒的速度噴射出去。由牛頓第三定律可知，高速噴射的離子將產(chǎn)生反向推力，從而推動衛(wèi)星前進(jìn)。

    當(dāng)發(fā)動機(jī)噴射離子時(shí)，還需要一個(gè)能夠噴射電子的裝置（中和器）用以中和噴射出去的離子，否則會使航天器帶電，危及航天器的安全。

人員雖少，依然砥礪前行

    中國科學(xué)院力學(xué)研究所微型離子發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)五年的時(shí)間，對射頻離子發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了深入的研究，從最初的射頻電路阻抗匹配、射頻感應(yīng)耦合放電，到最終射頻離子發(fā)動機(jī)可以穩(wěn)定工作，部件的每一個(gè)細(xì)節(jié)都經(jīng)過仔細(xì)地推敲。

    2015年，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第一套射頻離子發(fā)動機(jī)——RIT-4點(diǎn)火成功，之后，團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同的推力范圍需求，開展了射頻離子發(fā)動機(jī)系列樣機(jī)的研發(fā)，分別研制了RIT-2、RIT-2.5和RIT-5。

    研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi){借多年對射頻離子發(fā)動機(jī)的研究基礎(chǔ)和寶貴的航天工程經(jīng)驗(yàn)，在2018年8月承擔(dān)了“太極一號”衛(wèi)星射頻離子微推進(jìn)系統(tǒng)的研制重任，限時(shí)一年。

    常規(guī)航天任務(wù)一般是三到五年，甚至更長，一年的時(shí)間要將尚不成熟的原理樣機(jī)直接做到滿足航天標(biāo)準(zhǔn)的飛行樣機(jī)，這對人員有限的研發(fā)團(tuán)隊(duì)而言是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。但為了中國航天事業(yè)的發(fā)展，空間引力波探測國家重大專項(xiàng)的順利實(shí)施，中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室康琦主任毅然決然地接下了這項(xiàng)幾乎不可能完成的任務(wù)。

團(tuán)隊(duì)協(xié)作，厚積薄發(fā)

    對于整個(gè)射頻離子發(fā)動機(jī)系統(tǒng)而言，除了射頻離子發(fā)動機(jī)頭部以外，實(shí)際還需要一系列的配套“裝配”，包括：電子學(xué)單機(jī)（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制）、場發(fā)射中和器（清華大學(xué)研制）、微流量控制單機(jī)（507所和深圳市綠航星際太空科技研究院研制）。五家單位團(tuán)隊(duì)協(xié)作，在研發(fā)前期，各自根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求專攻技術(shù)難點(diǎn)，以最快的速度完成方案可行性驗(yàn)證。

    中科院力學(xué)所研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)已有的研究基礎(chǔ)，在2019年3月率先完成了微型射頻離子發(fā)動機(jī)（μRIT-1）飛行產(chǎn)品的研制，并順利通過了空間環(huán)境模擬試驗(yàn)。

圖2 工作狀態(tài)的微型射頻離子發(fā)動機(jī)

圖片來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所

    發(fā)動機(jī)樣機(jī)研制出來后，它的推力到底是多大，計(jì)算出來的推力是否準(zhǔn)確，這些都是亟需驗(yàn)證的問題，航天工程任務(wù)是要靠精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說話的。因此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在射頻離子微推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品緊張研制的同時(shí)，緊急籌備發(fā)動機(jī)后續(xù)性能測試方案，自主設(shè)計(jì)了一套亞微牛級推力測量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了推力器快、穩(wěn)、準(zhǔn)的安裝與調(diào)試，極大限度地縮短了射頻離子發(fā)動機(jī)性能測試周期。

圖3 射頻離子微推力器在線測量

圖片來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所

    電子學(xué)單機(jī)是射頻離子發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的核心之一，整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的供電、控制以及數(shù)據(jù)存儲均要依靠它來完成。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心先后一共有6名專業(yè)人員參與到電子學(xué)單機(jī)的研制工作。這個(gè)項(xiàng)目突破了他們以往的研制速度，經(jīng)歷了無數(shù)個(gè)通宵達(dá)旦的艱苦工作，在最后一刻解決了所有問題，交付了通過地面驗(yàn)證試驗(yàn)的合格產(chǎn)品。

圖4 射頻離子發(fā)動機(jī)系統(tǒng)-電子學(xué)單機(jī)

圖片來源：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心

    與射頻離子微推力器（μRIT-1）配合使用的中和器是清華大學(xué)研制的“碳納米管中和器”。這次合作是清華大學(xué)清華-富士康納米科技中心第一次承擔(dān)航天任務(wù)，更是將碳納米管場發(fā)射技術(shù)第一次應(yīng)用在航天領(lǐng)域中。五位清華大學(xué)的老師在沒有航天任務(wù)經(jīng)驗(yàn)的情況下，一步一步地摸索著前進(jìn)，從最基本的材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝到最終的測試方案，他們夜以繼日地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，最終按時(shí)交付了他們的“首創(chuàng)”。

最后一個(gè)就是射頻離子發(fā)動機(jī)系統(tǒng)必不可少的氣體控制器——微流量控制單機(jī)。之所以稱為“微流量控制單元”，是因微型離子發(fā)動機(jī)工作時(shí)所需的工質(zhì)氣體非常少，0.08 mL的氣體可以使推力器工作1分鐘以上，相當(dāng)于一個(gè)人深呼吸吹出的氣體量（約3500 mL）可使推力器連續(xù)工作約一個(gè)月。

    深圳市綠航星際太空科技研究院四名專業(yè)技術(shù)人員同樣是從未研制過氣體流量這么小且精度要求非常高的微流量控制器。為了保證發(fā)動機(jī)能夠正常穩(wěn)定地工作，技術(shù)人員從方案設(shè)計(jì)、加工工藝到氣路封裝，一路披荊斬棘，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作下，解決了系列技術(shù)問題。微流量控制單元是除發(fā)動機(jī)外，第一個(gè)交付的產(chǎn)品。

圖5 飛行產(chǎn)品交付衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行裝配調(diào)試

圖片來源：新聞聯(lián)播

    研發(fā)團(tuán)隊(duì)在不到十個(gè)月的時(shí)間里，夜以繼日、過五關(guān)斬六將，終將合格的射頻離子發(fā)動機(jī)產(chǎn)品按時(shí)交付給衛(wèi)星系統(tǒng)。

    目前，射頻離子微推進(jìn)系統(tǒng)在軌工作正常，并順利完成功能和性能測試，任務(wù)取得圓滿成功，這也是國際首次在軌驗(yàn)證微型射頻離子發(fā)動機(jī)技術(shù)！

作者單位：中國科學(xué)院力學(xué)研究所