空间引力实验的关键载荷—自主研发的星载静电悬浮加速度计

　　出品：科普中国

　　制作：中国科学院空间应用工程与技术中心 华中科技大学引力实验室 中国科普博览

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　编者按：

　　刚刚发射成功的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。

　　中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位，代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广，具体承担工程研制的组织管理，系统设计、集成、测试，可靠性保障，在轨技术支持，有效载荷运控管理，数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。

　　在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持！

　　刚刚发射成功的天舟一号虽然是货运飞船，但宝贵的空间实验机会不容浪费，仍然搭载了不少科学实验载荷。

　　其中，华中科技大学引力中心承担了“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”项目。

　　“非牛顿引力实验检验”拟利用微重力环境检验微米作用距离下物体之间的引力是否仍然满足牛顿万有引力定律，这是一个纯基础物理实验，对于统一四种相互作用、探寻新的相互作用等研究具有重要意义，该实验必须首先发展高精度的微弱力测量技术。

　　为此，项目组发展了基于皮米级电容传感和微伏级静电控制技术的加速度计，称之为静电悬浮加速度计，该加速度计是非牛顿引力实验的技术基础。

　　本次空间实验目的就是利用天舟一号货运飞船的空间环境，对高精度静电悬浮加速度计进行在轨检验。通常地球表面重力加速度为1g（9.8m/s2），本项目验证的静电悬浮加速度计分辨本领达到10^-11g量级，相对于地球表面重力加速度的大小而言，可以分辨其小数点后第10位的加速度变化，极其精密。

　　相对于传统弹簧连接式加速度计而言，静电悬浮加速度计精度高，技术难度大，目前也仅有法国等几个极少数国家掌握了其全部技术，对我们国家仍是严密封锁的。

　　华中科技大学引力中心从2000年开始，经过了十五、十一五、十二五三个五年计划的连续攻关，从理论机理、关键技术、研制工艺、测试与标定等方面开展了系统研究，解决了其全部技术，最终研发出了具有自主知识产权的、不同测量精度的静电悬浮加速度计系列产品。

　　在此期间，该项目组分别于2006年和2013年成功完成了SJ8号和XX5号星载加速度计飞行实验，将我国星载加速度计的研制水平逐步提高到了10^-8g和10^-9g量级，本次天舟一号加速度计水平提高到10^-11g量级，这也意味着，本次实验将我国星载加速度计研制能力提高到国际先进水平。

　　本次验证的高精度静电悬浮加速度计装置如图所示，有两个设备组成，其中探头盒实现高精度加速度的测量，电控盒为探头盒提供电源保障和实现与卫星平台之间的数据通信功能等。

非牛顿引力实验检验装置探头盒和电控盒

　　天舟一号在飞行过程中，并非一直处于非常平稳的状态，静电悬浮加速度计会受到航天器振动噪声的干扰。

　　幸运的是，本次实验有一位非常好的搭档，天舟一号货运飞船同时搭载了中科院空间应用工程与技术中心研制的主动隔振装置，该装置能够隔离飞船振动干扰，为静电悬浮加速度计提供了一个安静实验平台。

　　同时，该隔振装置也是第一次空间实验，静电悬浮加速度计将为该隔振装置提供测试评估。静电悬浮加速度计和主动隔振装置二者相辅相成、互相支撑。

　　高精度空间加速度计作为弱力测量传感器或者惯性参考是空间引力实验必不可少的关键载荷之一。例如，美国地基激光干涉引力波探测器LIGO工作组在2016年两次报道探测到了两个黑洞并合时发出的引力波，引起了全世界高度关注，引力波探测及引力波天文学势必将成为新的科技制高点之一。

　　空间引力波探测将利用数十万到上百万公里距离的多个航天器编队组网开展引力波探测，该波段具有更丰富的引力波源，成为了该领域研究热点之一。空间引力波探测中，需要更高精度测量和控制航天器的加速度扰动，需要达到10^-15m/s2甚至更高，基于电容位移传感和静电反馈控制的惯性传感器成为首选的研制方案。

　　整体来说，本次飞行实验将进一步为空间站开展“非牛顿引力实验检验”、“空间等效原理实验检验”以及“空间引力波探测”等实验检验奠定基础。

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