自主研發速度計隨天舟一號升空 完成空間引力實驗關鍵一步-中國科普博覽

出品：科普中國

製作：中國科學院空間應用工程與技術中心 華中科技大學引力實驗室 中國科普博覽

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

【原編者按：即將發射的天舟一號，除了要與天宮二號交會對接、實施推進劑在軌補加，還要開展一系列空間科學實驗和技術試驗的任務。

中國科學院空間應用工程與技術中心是載人航天工程空間應用系統的總體單位，代表中國科學院抓總負責載人航天空間科學與應用任務的規劃、實施及成果產出與推廣，具體承擔工程研製的組織管理，系統設計、集成、測試，可靠性保障，在軌技術支持，有效載荷運控管理，數據獲取及應用成果的推廣服務等系統技術支持、支撐、保障、服務工作。

在此特別感謝中國科學院空間應用工程與技術中心的支持！】

天舟一號雖然是貨運飛船，但寶貴的空間實驗機會不容浪費，仍然搭載了不少科學實驗載荷。

其中，華中科技大學引力中心承擔了“非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證”項目，“非牛頓引力實驗檢驗”擬利用微重力環境檢驗微米作用距離下物體之間的引力是否仍然滿足牛頓萬有引力定律，這是一個純基礎物理實驗，對於統一四種相互作用、探尋新的相互作用等研究具有重要意義，該實驗必須首先發展高精度的微弱力測量技術。

為此，項目組發展了基於皮米級電容傳感和微伏級靜電控制技術的加速度計，稱之為靜電懸浮加速度計，該加速度計是非牛頓引力實驗的技術基礎。本次空間實驗目的就是利用天舟一號貨運飛船的空間環境，對高精度靜電懸浮加速度計進行在軌檢驗。通常地球表面重力加速度為1g（9.8m/s2），本項目驗證的靜電懸浮加速度計分辨本領達到10-11g量級，相對於地球表面重力加速度。大小而言，可以分辨其小數點後第10位的加速度變化，極其精密。

相對於傳統彈簧連接式加速度計而言，靜電懸浮加速度計精度高，技術難度大，目前也僅有法國等幾個極少數國家掌握了其全部技術，對我們國家仍是嚴密封鎖的。

華中科技大學引力中心從2000年開始，經過了十五、十一五、十二五三個五年計劃的連續攻關，從理論機理、關鍵技術、研製工藝、測試與標定等方面開展了系統研究，解決了其全部技術，最終研發出了具有自主知識產權的、不同測量精度的靜電懸浮加速度計系列產品。

在此期間，該項目組分別於2006年和2013年成功完成了SJ8號和XX5號星載加速度計飛行實驗，將我國星載加速度計的研製水平逐步提高到了10-7g和10-9g量級，本次天舟一號加速度計水平提高到10-11g量級，本次實驗將我國星載加速度計研製能力提高到國際先進水平。

本次驗證的高精度靜電懸浮加速度計裝置如圖所示，有兩個設備組成，其中探頭盒實現高精度加速度的測量，電控盒為探頭盒提供電源保障和實現與衞星平台之間的數據通信功能等。

非牛頓引力實驗檢驗裝置探頭盒和電控盒

天舟一號在飛行過程中，並非一直處於非常平穩的狀態，靜電懸浮加速度計會受到航天器振動噪聲的干擾。幸運的是，本次實驗有一位非常好的搭檔，天舟一號貨運飛船同時搭載了中科院空間應用工程與技術中心研製的主動隔振裝置，該裝置能夠隔離飛船振動干擾，為靜電懸浮加速度計提供了一個安靜實驗平台。同時，該隔振裝置也是第一次空間實驗，靜電懸浮加速度計將為該隔振裝置提供測試評估。靜電懸浮加速度計和主動隔振裝置二者相輔相成、互相支撐。

高精度空間加速度計作為弱力測量傳感器或者慣性參考是空間引力實驗必不可少的關鍵載荷之一。例如，美國地基激光干涉引力波探測器LIGO工作組在2016年兩次報道探測到了兩個黑洞併合時發出的引力波，引起了全世界高度關注，引力波探測及引力波天文學勢必將成為新的科技制高點之一。

空間引力波探測將利用數十萬到上百萬公里距離的多個航天器編隊組網開展引力波探測，該波段具有更豐富的引力波源，成為了該領域研究熱點之一。空間引力波探測中，需要更高精度測量和控制航天器的加速度擾動，需要達到10-15m/s2甚至更高，基於電容位移傳感和靜電反饋控制的慣性傳感器成為首選的研製方案。

本次飛行實驗將進一步為空間站開展“非牛頓引力實驗檢驗”、“空間等效原理實驗檢驗”以及“空間引力波探測”等實驗檢驗奠定基礎。

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