[科普中国]-SMART-2卫星

任务背景

1998年，“探路者”作为“欧洲激光干涉仪空间天线技术试验”（ELIFE）被首次提出，任务为一个处于地球同步轨道的航天器，将对“激光干涉仪空间天线”（LISA）任务所需的技术进行验证。“激光干涉仪空间天线”任务原本是欧洲航天局与美国航空航天局（NASA）合作进行的一项空间引力波探测任务，任务由3颗日心轨道航天器构成一个巨型“迈克尔逊”（Michelson）干涉测量仪，可通过激光测量仪测量航天器之间距离的微小变化，从而进行引力波的探测。

2000年，为了响应小型先进技术研究任务－2（SMART－2）的征求任务方案的公告，任务被重新制定并提交给欧洲航天局科学委员会。当时，提议将其作为“激光干涉仪空间天线”和“达尔文”（Darwin）2项任务的先驱任务，包括2个自由飞行航天器和3个有效载荷（欧洲航天局提供的“激光干涉仪空间天线技术模块”、“达尔文技术模块”和美国航空航天局提供的“激光干涉仪空间天线技术模块”）。同年11月，欧洲航天局科学规划委员会（SPC）批准了该项任务。

经过初步研究，“达尔文”先驱任务被取消，任务减少为一个航天器并重新命名为“探路者”，将携带欧洲制造的“激光干涉仪空间天线技术模块”和美国航空航天局提供的“干扰减少系统”。2002年5月，该任务作为欧洲航天局新“宇宙愿景2015-2025”科学规划的一部分，得到了欧洲航天局科学规划委员会的最终确认。2

任务目标“探路者” 将在满足引力要求的环境中放置2个试验质量块，并以极高的精度测量它们的相对运动，进而证实仅受引力作用的物体在时间－空间中沿测地线运动。“探路者”的具体任务目标：

1）利用2个自由试验质量块对航天器中“无阻力和姿态控制”进行验证；

2）验证激光干涉仪在低频率波段以皮米级的分辨率进行测量的可行性；

3）测试仪器在空间环境的可靠性和使用寿命。

在爱因斯坦的广义相对论中，引力并不被考虑为一种外力，而是时空曲率的来源。在宇宙中下放一个质量体（一个平直时空），仅受引力作用的试验质量块将沿直线匀速运动（牛顿第一定律）。然而，按照广义相对论的描述，在真实的宇宙中质量导致的引力/曲率将修改牛顿第一定律成为：在没有外力的作用下，试验质量块将沿测地线运动。微粒在仅有引力作用下沿时间－空间中的测地线运动是广义相对论的基础，所有试验的目标都是验证广义相对论的预言。

“探路者”将验证引力波探测所需的技术，并不能直接探测引力波。对于1m的距离而言，低频引力波只能引起10-24～10-21m的位移，这比原子核10-15m的大小还要小几个数量级。“探路者”任务中2个试验质量块的距离仅为0.35m，低频引力波引起的位移是无法测量的。未来引力波探测任务中，空基干涉仪的臂长将达到5×106km，从而使得低频引力波引起的位移可以测量。2

有效载荷“探路者”发射质量为1910.0kg，航天器结构为八角柱形，外直径2.31m，高0.96m，其中一面敷有面积约为2.8m2太阳电池板，另一面则连接推进模块。

不同于传统的天文台或行星任务，“探路者”的有效载荷不能考虑为航天器携带的离散硬件。在科学运行过程中，有效载荷和航天器将分别作为一个单一机组：航天器的控制由有效载荷驱动。“探路者”将携带“激光干涉仪空间天线技术模块”和“干扰减少系统”2个先进的仪器。2

激光干涉仪空间天线技术模块“激光干涉仪空间天线技术模块”是由欧洲机构和工业部门研发的有效载荷，包括2个相同的试验质量块，分别悬浮在各自的真空罐内，将仿真“激光干涉仪空间天线”任务的观测布置。不同的是，“探路者”任务中2个试验质量块之间的距离仅为35cm，而未来引力波观测任务中试验质量块之间的距离将达到5×106km。试验质量块直径46mm，质量1.96kg，为金铂单合金立方体，合金中金占73%，铂占27%。选择该材料的原因是该合金具有极低的磁化率（约为10-5）和较高的密度（约为20kg/m3），这样的组合可以降低外力对试验质量块的影响。

该模块主要负责存放试验质量块，并为“无阻力和姿态控制系统”提供试验质量块的位置信息。“无阻力和姿态控制系统”是航天器重要的子系统，主要完成航天器的动力学控制。航天器姿态通过1对星敏感器确定，姿态调整则由一系列微推进器执行。

它包括2个主要子系统：惯性传感器子系统和光学测量子系统。惯性传感器子系统包括试验质量块和所有与试验质量块直接相互作用的系统，例如，电极壳、前端电子设备、真空系统、充电管理以及锁定机构。光学测量子系统是用于测量试验质量块位置的高分辨率激光干涉仪，包括基准激光单元、激光调制器、光具座干涉仪和相位表。2

干扰减少系统“干扰减少系统”是由美国航空航天局喷气推进实验室（JPL）提供的一个试验装置，将验证“无阻力”航天器所需的系统级技术。“干扰减少系统”可以消除太阳光压等作用力，从而确保被控航天器沿着仅受引力作用的轨道运行。

它利用“激光干涉仪空间天线技术模块” 获得传感器信息，执行机构包括2组微型推进器。推进器通过电场加速电离的胶体液滴，从而提供微推进力。“干扰减少系统”将使用来自“激光干涉仪空间天线技术模块”的传感器信息控制航天器的位置和姿态。2

任务历程“探路者”进入椭圆停泊轨道（近地点高度200km，远地点高度1540km，轨道倾角为6.5°）后，航天器将利用自身的推进系统达到最终的运行轨道— 距离地球1.5×106km的日地拉格朗日L1点附近的“利萨如”（Lissajous）轨道。转移过程将需要3.1km/s的速度增量，主要通过400N化学发动机在近地点的数次推进实现。在执行最终的转移机动之后，将查明科学航天器的健康状况，并投弃推进模块。

选择L1点附近的“利萨如”轨道作为运行轨道的原因包括：这里距离地球较远，可以避免地球重力和磁场的干扰；可以避免出现日食或月食，从而保持一个稳定热环境；不需要复杂的通信设备等。

“探路者”任务可以划分为以下5个阶段：

1）发射和早期操作阶段。包括航天器组合体发射和远地点提升机动，持续约21天。

2）转移阶段。包括最后一次近地点脉冲点火机动之后到发射组合体到达L1点，持续约20天。

3）分离和消旋阶段。在到达L1点后，发射组合体在推进模块脱离科学航天器之前将以5（°）/s的转速旋转，在与推进模块分离之后科学航天器将利用微推进系统消除旋转，该阶段持续约15天。

4）试运行阶段。在科学航天器稳定之后将进行航天器、推进系统和有效载荷的试运行，平台、“激光干涉仪空间天线技术模块”和“干扰减少系统”的试运行时间都为10天。

5）在轨运行阶段。该阶段将进行科学操作，共持续6个月，其中“激光干涉仪空间天线技术模块”运行90天，“干扰减少系统”运行60天，两者联合运行30天。“干扰减少系统”试验将利用欧洲“激光干涉仪空间天线技术模块”敏感器进行测量。任务自身可以扩展至1年。

到达运行轨道后，“探路者”将释放试验质量块并保持质量块不再与航天器发生物理接触。复杂的激光测量系统将以10-9mm的精度测量试验质量块的相对运动。

航天器自身将充当试验的一个能动部分，其微推进系统每秒钟将点火数十次进行位置的调整，避免试验质量块与航天器发生接触，从而保证引力以外的作用力不会对试验质量块造成影响。

如果“探路者”顺利完成这些极高精度的测量和操作，建立空间天文台探测引力波造成的微小时空扰动将成为可能。当2个质量块相距数百万千米时，这些微小的扰动预计将只有几千万分之一毫米。

“探路者”将作为一个空间物理实验室进行运作。在6个月的运行时间内，科学家将分析每日运作得到的数据，进而设计探测器后续的试验。2

任务特点“探路者”中采用了多项全新的和高精度的技术。如果“探路者”顺利完成试验的极高精度测量和操作，未来空间引力波探测将成为可能，这将开启人类认识宇宙的另一扇窗口，对于物理学和天文学的发展都具有重大的意义。具体而言，“探路者”任务具有以下特点：

（1）踏出了空间引力波观测的第一步

“探路者”将在空间中对观测引力波所需技术进行首次测试。引力波观测将极大地提高广义相对论的知识，并且帮助科学家观测诸多天文事件的效应，这些天文事件被认为能够造成空间本身构造微乎其微的扭曲。

（2）全新的开创性空间验证任务

“探路者”是一个开创性的空间任务。验证的技术是全新的，并且无法在地面实现完整验证。这是因为地球引力和环境将淹没测试结果，只有在空间中利用极其精确的仪器才能观测引力波的微弱影响。

（3）完全不同的宇宙天文观测方法

迄今，对于宇宙的全部认识都是基于对可见光、红外、紫外、无线电、X射线和γ射线等电磁波的观测。“探路者”将为完全不同的宇宙观测方法，即引力波观测铺平道路。这将允许天体物理学家解答一些关于宇宙最基本的问题。

（4）迄今最高的测量精度

“探路者”将建立一个相当精确的惯性参考坐标系，可精确测量试验质量块相对于航天器的微小运动，精度可达10-9m。而且，利用极其精确的激光干涉法可以对“激光干涉仪空间天线技术模块”内2个试验质量块之间的相对运动进行测量，精度将达到10-12m。2