王帥 （北京空間科技信息研究所）

1 引言

2015年12月3日，歐洲航天局（ESA）的“激光干涉儀空間天線探路者”（LISA Pathfinder，以下簡(jiǎn)稱“探路者”）探測(cè)器由“織女星”（Vega）運(yùn)載火箭發(fā)射升空，該探測(cè)器將測(cè)試空間引力波探測(cè)所需的技術(shù)。

引力波的概念源于愛因斯坦的廣義相對(duì)論，其中一項(xiàng)重要的預(yù)言就是存在引力波。引力波是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或物質(zhì)體系的質(zhì)量分布發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的一種引力輻射，來(lái)源遍布整個(gè)宇宙空間，包括中子星或黑洞形成、超新星爆發(fā)、超大質(zhì)量黑洞等。探測(cè)引力波不僅可以直接驗(yàn)證廣義相對(duì)論中重要的預(yù)言，還可以獲得很多傳統(tǒng)天文學(xué)手段無(wú)法獲得的天體物理信息，研究暴漲和相變等物理過程，為人類開啟觀測(cè)宇宙的新窗口。

目前，引力波理論上非常微弱，迄今為止人類還未能直接探測(cè)到引力波，但世界發(fā)達(dá)國(guó)家都在推進(jìn)引力波的探測(cè)。21世紀(jì)初，美國(guó)、意大利、法國(guó)和日本等多個(gè)國(guó)家都建立了千米級(jí)的地面激光干涉儀引力波探測(cè)設(shè)施，用于探測(cè)高頻引力波。地面引力波探測(cè)設(shè)施會(huì)受到地面震動(dòng)噪聲、熱噪聲、引力梯度噪聲等的影響，探測(cè)器臂長(zhǎng)也非常有限，因此更為微弱的低頻引力波（頻率10-4～10-1Hz）需要利用空間干涉儀進(jìn)行觀測(cè)?！疤铰氛摺闭菤W洲航天局響應(yīng)空間激光干涉儀的需求而設(shè)定的技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)。

2 任務(wù)背景

1998年，“探路者”作為“歐洲激光干涉儀空間天線技術(shù)試驗(yàn)”（ELIFE）被首次提出，任務(wù)為一個(gè)處于地球同步軌道的航天器，將對(duì)“激光干涉儀空間天線”（LISA）任務(wù)所需的技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。“激光干涉儀空間天線”任務(wù)原本是歐洲航天局與美國(guó)航空航天局（NASA）合作進(jìn)行的一項(xiàng)空間引力波探測(cè)任務(wù)，任務(wù)由3顆日心軌道航天器構(gòu)成一個(gè)巨型“邁克爾遜”（Michelson）干涉測(cè)量?jī)x，可通過激光測(cè)量?jī)x測(cè)量航天器之間距離的微小變化，從而進(jìn)行引力波的探測(cè)。

2000年，為了響應(yīng)小型先進(jìn)技術(shù)研究任務(wù)－2（SMART－2）的征求任務(wù)方案的公告，任務(wù)被重新制定并提交給歐洲航天局科學(xué)委員會(huì)。當(dāng)時(shí)，提議將其作為“激光干涉儀空間天線”和“達(dá)爾文”（Darwin）2項(xiàng)任務(wù)的先驅(qū)任務(wù)，包括2個(gè)自由飛行航天器和3個(gè)有效載荷（歐洲航天局提供的“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”、“達(dá)爾文技術(shù)模塊”和美國(guó)航空航天局提供的“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”）。同年11月，歐洲航天局科學(xué)規(guī)劃委員會(huì)（SPC）批準(zhǔn)了該項(xiàng)任務(wù)。

經(jīng)過初步研究，“達(dá)爾文”先驅(qū)任務(wù)被取消，任務(wù)減少為一個(gè)航天器并重新命名為“探路者”，將攜帶歐洲制造的“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”和美國(guó)航空航天局提供的“干擾減少系統(tǒng)”。2002年5月，該任務(wù)作為歐洲航天局新“宇宙愿景2015-2025”科學(xué)規(guī)劃的一部分，得到了歐洲航天局科學(xué)規(guī)劃委員會(huì)的最終確認(rèn)。

3 任務(wù)目標(biāo)

“探路者” 將在滿足引力要求的環(huán)境中放置2個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量塊，并以極高的精度測(cè)量它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而證實(shí)僅受引力作用的物體在時(shí)間－空間中沿測(cè)地線運(yùn)動(dòng)?！疤铰氛摺钡木唧w任務(wù)目標(biāo)：

1）利用2個(gè)自由試驗(yàn)質(zhì)量塊對(duì)航天器中“無(wú)阻力和姿態(tài)控制”進(jìn)行驗(yàn)證；

2）驗(yàn)證激光干涉儀在低頻率波段以皮米級(jí)的分辨率進(jìn)行測(cè)量的可行性；

3）測(cè)試儀器在空間環(huán)境的可靠性和使用壽命。

在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中，引力并不被考慮為一種外力，而是時(shí)空曲率的來(lái)源。在宇宙中下放一個(gè)質(zhì)量體（一個(gè)平直時(shí)空），僅受引力作用的試驗(yàn)質(zhì)量塊將沿直線勻速運(yùn)動(dòng)（牛頓第一定律）。然而，按照廣義相對(duì)論的描述，在真實(shí)的宇宙中質(zhì)量導(dǎo)致的引力/曲率將修改牛頓第一定律成為：在沒有外力的作用下，試驗(yàn)質(zhì)量塊將沿測(cè)地線運(yùn)動(dòng)。微粒在僅有引力作用下沿時(shí)間－空間中的測(cè)地線運(yùn)動(dòng)是廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，所有試驗(yàn)的目標(biāo)都是驗(yàn)證廣義相對(duì)論的預(yù)言。

“探路者”將驗(yàn)證引力波探測(cè)所需的技術(shù)，并不能直接探測(cè)引力波。對(duì)于1m的距離而言，低頻引力波只能引起10-24～10-21m的位移，這比原子核10-15m的大小還要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)?！疤铰氛摺比蝿?wù)中2個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量塊的距離僅為0.35m，低頻引力波引起的位移是無(wú)法測(cè)量的。未來(lái)引力波探測(cè)任務(wù)中，空基干涉儀的臂長(zhǎng)將達(dá)到5×106km，從而使得低頻引力波引起的位移可以測(cè)量。

4 有效載荷

“探路者”發(fā)射質(zhì)量為1910.0kg，航天器結(jié)構(gòu)為八角柱形，外直徑2.31m，高0.96m，其中一面敷有面積約為2.8m2太陽(yáng)電池板，另一面則連接推進(jìn)模塊。

不同于傳統(tǒng)的天文臺(tái)或行星任務(wù)，“探路者”的有效載荷不能考慮為航天器攜帶的離散硬件。在科學(xué)運(yùn)行過程中，有效載荷和航天器將分別作為一個(gè)單一機(jī)組：航天器的控制由有效載荷驅(qū)動(dòng)。“探路者”將攜帶“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”和“干擾減少系統(tǒng)”2個(gè)先進(jìn)的儀器。

“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”

“探路者”的航天器結(jié)構(gòu)

“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”是由歐洲機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門研發(fā)的有效載荷，包括2個(gè)相同的試驗(yàn)質(zhì)量塊，分別懸浮在各自的真空罐內(nèi)，將仿真“激光干涉儀空間天線”任務(wù)的觀測(cè)布置。不同的是，“探路者”任務(wù)中2個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量塊之間的距離僅為35cm，而未來(lái)引力波觀測(cè)任務(wù)中試驗(yàn)質(zhì)量塊之間的距離將達(dá)到5×106km。試驗(yàn)質(zhì)量塊直徑46mm，質(zhì)量1.96kg，為金鉑單合金立方體，合金中金占73%，鉑占27%。選擇該材料的原因是該合金具有極低的磁化率（約為10-5）和較高的密度（約為20kg/m3），這樣的組合可以降低外力對(duì)試驗(yàn)質(zhì)量塊的影響。

該模塊主要負(fù)責(zé)存放試驗(yàn)質(zhì)量塊，并為“無(wú)阻力和姿態(tài)控制系統(tǒng)”提供試驗(yàn)質(zhì)量塊的位置信息?！盁o(wú)阻力和姿態(tài)控制系統(tǒng)”是航天器重要的子系統(tǒng)，主要完成航天器的動(dòng)力學(xué)控制。航天器姿態(tài)通過1對(duì)星敏感器確定，姿態(tài)調(diào)整則由一系列微推進(jìn)器執(zhí)行。

它包括2個(gè)主要子系統(tǒng)：慣性傳感器子系統(tǒng)和光學(xué)測(cè)量子系統(tǒng)。慣性傳感器子系統(tǒng)包括試驗(yàn)質(zhì)量塊和所有與試驗(yàn)質(zhì)量塊直接相互作用的系統(tǒng)，例如，電極殼、前端電子設(shè)備、真空系統(tǒng)、充電管理以及鎖定機(jī)構(gòu)。光學(xué)測(cè)量子系統(tǒng)是用于測(cè)量試驗(yàn)質(zhì)量塊位置的高分辨率激光干涉儀，包括基準(zhǔn)激光單元、激光調(diào)制器、光具座干涉儀和相位表。

“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”示意圖

“干擾減少系統(tǒng)”

“干擾減少系統(tǒng)”是由美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）提供的一個(gè)試驗(yàn)裝置，將驗(yàn)證“無(wú)阻力”航天器所需的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)?！案蓴_減少系統(tǒng)”可以消除太陽(yáng)光壓等作用力，從而確保被控航天器沿著僅受引力作用的軌道運(yùn)行。

它利用“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊” 獲得傳感器信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括2組微型推進(jìn)器。推進(jìn)器通過電場(chǎng)加速電離的膠體液滴，從而提供微推進(jìn)力?！案蓴_減少系統(tǒng)”將使用來(lái)自“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”的傳感器信息控制航天器的位置和姿態(tài)。

5 任務(wù)歷程

“探路者”進(jìn)入橢圓停泊軌道（近地點(diǎn)高度200km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度1540km，軌道傾角為6.5°）后，航天器將利用自身的推進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到最終的運(yùn)行軌道—距離地球1.5×106km的日地拉格朗日L1點(diǎn)附近的“利薩如”（Lissajous）軌道。轉(zhuǎn)移過程將需要3.1km/s的速度增量，主要通過400N化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)在近地點(diǎn)的數(shù)次推進(jìn)實(shí)現(xiàn)。在執(zhí)行最終的轉(zhuǎn)移機(jī)動(dòng)之后，將查明科學(xué)航天器的健康狀況，并投棄推進(jìn)模塊。

選擇L1點(diǎn)附近的“利薩如”軌道作為運(yùn)行軌道的原因包括：這里距離地球較遠(yuǎn)，可以避免地球重力和磁場(chǎng)的干擾；可以避免出現(xiàn)日食或月食，從而保持一個(gè)穩(wěn)定熱環(huán)境；不需要復(fù)雜的通信設(shè)備等。

“探路者”任務(wù)可以劃分為以下5個(gè)階段：

1）發(fā)射和早期操作階段。包括航天器組合體發(fā)射和遠(yuǎn)地點(diǎn)提升機(jī)動(dòng)，持續(xù)約21天。

2）轉(zhuǎn)移階段。包括最后一次近地點(diǎn)脈沖點(diǎn)火機(jī)動(dòng)之后到發(fā)射組合體到達(dá)L1點(diǎn)，持續(xù)約20天。

3）分離和消旋階段。在到達(dá)L1點(diǎn)后，發(fā)射組合體在推進(jìn)模塊脫離科學(xué)航天器之前將以5（°）/s的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在與推進(jìn)模塊分離之后科學(xué)航天器將利用微推進(jìn)系統(tǒng)消除旋轉(zhuǎn)，該階段持續(xù)約15天。

4）試運(yùn)行階段。在科學(xué)航天器穩(wěn)定之后將進(jìn)行航天器、推進(jìn)系統(tǒng)和有效載荷的試運(yùn)行，平臺(tái)、“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”和“干擾減少系統(tǒng)”的試運(yùn)行時(shí)間都為10天。

“探路者”從發(fā)射到運(yùn)行軌道的示意圖

“探路者”任務(wù)階段劃分

5）在軌運(yùn)行階段。該階段將進(jìn)行科學(xué)操作，共持續(xù)6個(gè)月，其中“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”運(yùn)行90天，“干擾減少系統(tǒng)”運(yùn)行60天，兩者聯(lián)合運(yùn)行30天?！案蓴_減少系統(tǒng)”試驗(yàn)將利用歐洲“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”敏感器進(jìn)行測(cè)量。任務(wù)自身可以擴(kuò)展至1年。

到達(dá)運(yùn)行軌道后，“探路者”將釋放試驗(yàn)質(zhì)量塊并保持質(zhì)量塊不再與航天器發(fā)生物理接觸。復(fù)雜的激光測(cè)量系統(tǒng)將以10－9mm的精度測(cè)量試驗(yàn)質(zhì)量塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

航天器自身將充當(dāng)試驗(yàn)的一個(gè)能動(dòng)部分，其微推進(jìn)系統(tǒng)每秒鐘將點(diǎn)火數(shù)十次進(jìn)行位置的調(diào)整，避免試驗(yàn)質(zhì)量塊與航天器發(fā)生接觸，從而保證引力以外的作用力不會(huì)對(duì)試驗(yàn)質(zhì)量塊造成影響。

如果“探路者”順利完成這些極高精度的測(cè)量和操作，建立空間天文臺(tái)探測(cè)引力波造成的微小時(shí)空擾動(dòng)將成為可能。當(dāng)2個(gè)質(zhì)量塊相距數(shù)百萬(wàn)千米時(shí)，這些微小的擾動(dòng)預(yù)計(jì)將只有幾千萬(wàn)分之一毫米。

“探路者”將作為一個(gè)空間物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行運(yùn)作。在6個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家將分析每日運(yùn)作得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)探測(cè)器后續(xù)的試驗(yàn)。

6 任務(wù)特點(diǎn)

“探路者”中采用了多項(xiàng)全新的和高精度的技術(shù)。如果“探路者”順利完成試驗(yàn)的極高精度測(cè)量和操作，未來(lái)空間引力波探測(cè)將成為可能，這將開啟人類認(rèn)識(shí)宇宙的另一扇窗口，對(duì)于物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展都具有重大的意義。具體而言，“探路者”任務(wù)具有以下特點(diǎn)：

（1）踏出了空間引力波觀測(cè)的第一步

“探路者”將在空間中對(duì)觀測(cè)引力波所需技術(shù)進(jìn)行首次測(cè)試。引力波觀測(cè)將極大地提高廣義相對(duì)論的知識(shí)，并且?guī)椭茖W(xué)家觀測(cè)諸多天文事件的效應(yīng)，這些天文事件被認(rèn)為能夠造成空間本身構(gòu)造微乎其微的扭曲。

（2）全新的開創(chuàng)性空間驗(yàn)證任務(wù)

“探路者”是一個(gè)開創(chuàng)性的空間任務(wù)。驗(yàn)證的技術(shù)是全新的，并且無(wú)法在地面實(shí)現(xiàn)完整驗(yàn)證。這是因?yàn)榈厍蛞铜h(huán)境將淹沒測(cè)試結(jié)果，只有在空間中利用極其精確的儀器才能觀測(cè)引力波的微弱影響。

（3）完全不同的宇宙天文觀測(cè)方法

迄今，對(duì)于宇宙的全部認(rèn)識(shí)都是基于對(duì)可見光、紅外、紫外、無(wú)線電、X射線和γ射線等電磁波的觀測(cè)。“探路者”將為完全不同的宇宙觀測(cè)方法，即引力波觀測(cè)鋪平道路。這將允許天體物理學(xué)家解答一些關(guān)于宇宙最基本的問題。

（4）迄今最高的測(cè)量精度

“探路者”將建立一個(gè)相當(dāng)精確的慣性參考坐標(biāo)系，可精確測(cè)量試驗(yàn)質(zhì)量塊相對(duì)于航天器的微小運(yùn)動(dòng)，精度可達(dá)10-9m。而且，利用極其精確的激光干涉法可以對(duì)“激光干涉儀空間天線技術(shù)模塊”內(nèi)2個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，精度將達(dá)到10-12m。