2019年8月31日，中國(guó)科學(xué)院在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了一顆名為“太極一號(hào)”的衛(wèi)星，這是中國(guó)首顆空間引力波探測(cè)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(cè)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(duì)論就預(yù)言了引力波的存在。然而，直到2015年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）才在地面探測(cè)到了引力波信號(hào)。三位美國(guó)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(guó)際上普遍認(rèn)為，如果有人能在空間探測(cè)到引力波，獲得更多頻段的引力波信號(hào)，同樣能獲得諾貝爾級(jí)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

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

    引力波是物質(zhì)和能量劇烈運(yùn)動(dòng)和變化引發(fā)的時(shí)空漣漪，它在傳播過(guò)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(hào)十分微弱，目前最好的方法就是利用光學(xué)手段，通過(guò)探測(cè)兩個(gè)相距上百萬(wàn)公里的自由漂浮物體之間的距離變化來(lái)捕獲引力波。

    說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)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(guó)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(cè)論證組，開始規(guī)劃我國(guó)空間引力波探測(cè)在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)的發(fā)展路線圖。2016年，中科院?jiǎn)?dòng)了空間引力波探測(cè)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(hào)”任務(wù)立項(xiàng)，太極計(jì)劃成員自此進(jìn)入緊張的型號(hào)任務(wù)研制階段。

    考慮到引力波探測(cè)的難度，太極計(jì)劃分多步進(jìn)行?！疤珮O一號(hào)”任務(wù)是第一步，主要是在軌驗(yàn)證空間引力波探測(cè)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(tái)、無(wú)拖曳控制和微牛級(jí)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(dòng)機(jī)（發(fā)動(dòng)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(jí)非保守力，都會(huì)影響衛(wèi)星的超穩(wěn)狀態(tài)，因此需要開發(fā)微牛級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)以抵消非保守力對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的影響。射頻離子發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)之一。

圖1 航天器“新武器”——射頻離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

圖片來(lái)源：中國(guó)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(dòng)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(lái)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(dòng)機(jī)就是將等離子體中帶正電荷的離子通過(guò)高壓電場(chǎng)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(dòng)衛(wèi)星前進(jìn)。

    當(dāng)發(fā)動(dòng)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(huì)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(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微型離子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)五年的時(shí)間，對(duì)射頻離子發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定工作，部件的每一個(gè)細(xì)節(jié)都經(jīng)過(guò)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(dòng)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(dòng)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(duì)射頻離子發(fā)動(dòng)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(hào)”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(zhǎng)，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(duì)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(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，空間引力波探測(cè)國(guó)家重大專項(xiàng)的順利實(shí)施，中國(guó)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(duì)于整個(gè)射頻離子發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)而言，除了射頻離子發(fā)動(dòng)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(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研制）、場(chǎng)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(dòng)機(jī)（μRIT-1）飛行產(chǎn)品的研制，并順利通過(guò)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(dòng)機(jī)

圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所

    發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)研制出來(lái)后，它的推力到底是多大，計(jì)算出來(lái)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(lái)說(shuō)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(dòng)機(jī)后續(xù)性能測(cè)試方案，自主設(shè)計(jì)了一套亞微牛級(jí)推力測(cè)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(dòng)機(jī)性能測(cè)試周期。

圖3 射頻離子微推力器在線測(cè)量

圖片來(lái)源：中國(guó)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(dòng)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(chǔ)均要依靠它來(lái)完成。中國(guó)科學(xué)院國(guó)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(wú)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(guò)地面驗(yàn)證試驗(yàn)的合格產(chǎn)品。

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

圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)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(chǎng)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(lái)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(guò)五關(guān)斬六將，終將合格的射頻離子發(fā)動(dòng)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(cè)試，任務(wù)取得圓滿成功，這也是國(guó)際首次在軌驗(yàn)證微型射頻離子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)！

作者單位：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所