2016年2月，全世界的科學(xué)家都為引力波的發(fā)現(xiàn)而無(wú)比興奮，它不僅直接證明了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，還為人類(lèi)開(kāi)啟了探索宇宙的新旅程，因?yàn)橐Σò罅康挠钪嫜莼男畔ⅲɡ�，恒星死亡、黑洞形成與成長(zhǎng)、銀河系演化等）。所以，2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了成功在地面探測(cè)到引力波的三位美國(guó)科學(xué)家。
由于引力波信號(hào)非常微弱，探測(cè)難度很大，如同測(cè)量我們對(duì)著一棟高樓大廈吹口氣所產(chǎn)的震蕩。2016年所發(fā)現(xiàn)的引力波信號(hào)是科學(xué)家們?cè)诘孛嫔咸綔y(cè)到的，他們使用了兩臺(tái)相距3000千米的激光干涉儀（全稱(chēng)為激光干涉引力波天文臺(tái)，英文縮寫(xiě)為L(zhǎng)IGO），其中每臺(tái)都是由兩根直徑為1.2米、長(zhǎng)度為4000米的真空鋼管按L型構(gòu)建而成。
當(dāng)然，與此同時(shí)，科學(xué)家不約而同地想到：能否到太空里去探測(cè)引力波呢？這里的原因不難理解：首先和在地面上相比，太空的環(huán)境更加安靜，噪聲源少，能夠極大的發(fā)揮探測(cè)設(shè)備的高靈敏度；其次，在太空基本不受空間限制，能加長(zhǎng)激光干涉臂長(zhǎng)，這樣更容易捕獲引力波漣漪的信號(hào)；最后，地面只能實(shí)現(xiàn)高頻引力波探測(cè)，而在太空里還可以探測(cè)到中低頻引力波，中低頻的引力波波源更加豐富，具有更重要的天文學(xué)、宇宙學(xué)和物理學(xué)意義。
圖1 建在美國(guó)的地面激光干涉儀LIGO照片
圖2 三角形編隊(duì)飛行的空間激光干涉儀示意
“空間太極計(jì)劃”就是中國(guó)科學(xué)家胡文瑞院士等提出的一項(xiàng)空間引力波探測(cè)計(jì)劃，他早在2008年就發(fā)起了中國(guó)科學(xué)院引力波探測(cè)論證組。2010年，推出太極計(jì)劃初步方案，2015年，正式提出太極計(jì)劃發(fā)展路線(xiàn)圖。“空間太極計(jì)劃”采用三顆衛(wèi)星完成等邊三角形編隊(duì)飛行，兩兩相距300萬(wàn)千米（即三角形的邊長(zhǎng)），這個(gè)星組在日心軌道上飛行，以期探測(cè)到達(dá)這個(gè)軌道范圍上的引力波。而剛剛發(fā)射升空的“太極一號(hào)”（Taiji-01）就是為最終任務(wù)“太極三號(hào)”（Taiji-03）打前陣的。因?yàn)樵谔绽眯l(wèi)星測(cè)量引力波的方式要求衛(wèi)星非常的穩(wěn)定，不能左右搖晃，哪怕是受到的太陽(yáng)光壓也需要想辦法抵消掉，使衛(wèi)星處在合力幾乎為零的狀態(tài)。
圖3 “空間太極計(jì)劃”示意圖：中間紅色星球?yàn)樘?yáng)，右側(cè)藍(lán)色星球?yàn)榈厍颍疑蟼?cè)白色星球?yàn)樵铝�，三角形編�?duì)的太極三號(hào)運(yùn)行在日心軌道上
怎么辦？如何抵消衛(wèi)星受到的太陽(yáng)光壓？怎樣保持衛(wèi)星的姿態(tài)？科學(xué)家給“太極”衛(wèi)星配備了一種微型推進(jìn)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)為“微推力器”），這種推進(jìn)系統(tǒng)和咱們常常聽(tīng)到的“長(zhǎng)征”系列火箭不同。后者往往要把幾噸甚至是幾十噸的衛(wèi)星或飛船從地面發(fā)射到太空，需要很大的推力。而“太極一號(hào)”衛(wèi)星的軌道與姿態(tài)維持任務(wù)所需的推力十分之小，只要“微牛”（英文縮寫(xiě)為μN）的數(shù)量級(jí)。這次“太極一號(hào)”上就裝配了中科院力學(xué)研究所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)流體課題組研制的微推力器μRIT-1，它的最大推力只有幾十微牛，而推力分辨能力可以達(dá)到亞微牛級(jí)（相當(dāng)于推力調(diào)節(jié)能力達(dá)到1千克物體所受重力的一億分之一）。
這里的“牛”是作用力的單位“牛頓”的簡(jiǎn)稱(chēng)，其中的“微”表示百萬(wàn)分之一。大家知道牛頓第二定律為F=ma（其中F是作用力，m是物體質(zhì)量，a是物體運(yùn)動(dòng)加速度），1牛頓就是使1千克質(zhì)量的物體產(chǎn)生1米/秒2加速度所需的作用力。那么，大家來(lái)想象一下，“微牛”這種數(shù)量級(jí)的作用力到底有多�。�
對(duì)我們而言，一只小小的螞蟻抬起一個(gè)物體的力量是微乎其微的。根據(jù)相關(guān)知識(shí)，工蟻的體重為20~60毫克，這里取50毫克為體重的估算值。而它可以抬起的物體重量為自身體重的40~400倍，這里取100倍來(lái)估算。就是說(shuō)，螞蟻可以抬舉起5克重的物體，為了克服這個(gè)物體的重力，螞蟻需要付出的舉力=0.005千克*9.8米/秒2=0.049牛=49000微牛。
微推力器μRIT-1所產(chǎn)生的最大推力約為螞蟻抬舉物體的力量的千分之二。所以，我們把這種微推力器比喻為“螞蟻”，一點(diǎn)也不過(guò)分。不過(guò)，這種螞蟻不僅被送上太空去遨游，它還會(huì)不時(shí)地、根據(jù)需要向外噴火呢！
在學(xué)術(shù)上，微推力器μRIT-1有一個(gè)挺拗口的名字——射頻離子推力器。顧名思義，它需要射頻電流（也就是交流電，頻率為300kHz-300GHz）來(lái)提供能源。工質(zhì)氙氣在推力器內(nèi)部會(huì)形成“等離子體”這種相對(duì)特殊的物態(tài)，它是我們所知道的自然界第四種物態(tài)（這四種物態(tài)分別是：氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)和等離子體態(tài)）。等離子體雖然在日常生活中隨處可見(jiàn)，但容易被人們忽視，如熒光燈、霓虹燈和閃電等。在這種物態(tài)下，組成物質(zhì)的中性分子或原子發(fā)生了部分或全部電離，所以等離子體中存在著等量的自由電子（帶負(fù)電荷）和正離子（帶正電荷）。射頻離子推力器要設(shè)法將等離子體中帶正電荷的離子噴出去，從而產(chǎn)生反向推力。這就是我們高中物理中學(xué)過(guò)的牛頓第三定律，作用力與反作用力的關(guān)系。
從射頻離子推力器噴出去的正離子能量很高，像一道明亮的火焰，發(fā)出耀眼的藍(lán)色光芒（參見(jiàn)圖4）。所以，我們把它戲稱(chēng)為“會(huì)噴火”的螞蟻！
圖4 運(yùn)行中的射頻離子推力器
圖5是射頻離子推力器工作原理示意圖�？梢钥闯�，推力器有一個(gè)放電室，外面纏繞著螺旋線(xiàn)圈，前端有氣體入口，尾端是柵極系統(tǒng)。此外，它還有一些輔助系統(tǒng)，包括氣體流量控制單元和進(jìn)氣部件、射頻發(fā)生器系統(tǒng)以及中和器等。別小看這些“輔助”系統(tǒng)，它們也發(fā)揮著重要的作用呢！例如，氣體流量控制單元能夠精確地調(diào)節(jié)、控制進(jìn)入放電室的氣體流量，從而使得推力的大小可以依據(jù)需要變化，因此這是一個(gè)可變推力的推力器，它的分辨力可以達(dá)到亞微牛量級(jí)。就是說(shuō)，調(diào)節(jié)精度小于1微牛呢！
圖5 射頻離子推力器工作原理示意圖
現(xiàn)在讓我們來(lái)看看射頻離子推力器的工作原理吧！當(dāng)纏繞在放電室外部的螺旋圈加載射頻交流電時(shí)，根據(jù)高中物理所學(xué)的右手定則，我們可得知：在放電室的軸向方向形成周期變化的磁場(chǎng)，也就是說(shuō)，在放電室軸向方向的磁通量會(huì)周期變化。再根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在放電室周向方向會(huì)感生出環(huán)向電場(chǎng)。從推力器外部進(jìn)入放電室里的電子在環(huán)向電場(chǎng)中隨機(jī)加速，部分電子可以獲得足以電離氣體原子的能量，當(dāng)這部分高能電子與中性的氣體原子發(fā)生碰撞時(shí)便有可能使原子電離，從而產(chǎn)生具有等量自由電子和正離子的等離子體。
但是，放電室里的等離子體不會(huì)自動(dòng)地飛離推力器進(jìn)入太空，那么推力如何產(chǎn)生呢？這就需要給等離子體一個(gè)“動(dòng)力”——電勢(shì)差，把其中一種帶電粒子引出去。于是，科學(xué)家在推力器放電室尾部，安置了一套多孔帶電的導(dǎo)體板——柵極系統(tǒng)，其中屏柵有上千伏的正電位，而加速柵為百余伏的負(fù)電位。利用柵極系統(tǒng)與放電室內(nèi)部等離子體間的電勢(shì)差，便可將放電室內(nèi)的正離子引出推力器，進(jìn)而產(chǎn)生推力。但是，由于推力是利用噴射正離子產(chǎn)生的，那么就需要一個(gè)配套的裝置能夠噴射電子到推力器尾焰中，中和噴出去的正離子，這個(gè)裝置就是前面介紹的中和器。不然，推力器很快就會(huì)“罷工”了。因?yàn)闆](méi)有噴出去的電子會(huì)積累在電路中，危及電子系統(tǒng)安全。
雖然射頻離子推力器的工作原理較為簡(jiǎn)單，我們利用高中物理知識(shí)就能解釋?zhuān)浅晒ρ兄颇軌蛘＿\(yùn)行并滿(mǎn)足任務(wù)要求的飛行樣機(jī)并不那么容易。因?yàn)槠渲懈鱾�(gè)部件間的耦合關(guān)系十分復(fù)雜，需要開(kāi)展大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。
射頻離子微推進(jìn)團(tuán)隊(duì)僅用了不到十個(gè)月的時(shí)間，就研制出滿(mǎn)足工程任務(wù)要求的微推進(jìn)產(chǎn)品，并按時(shí)交付衛(wèi)星系統(tǒng)，經(jīng)地面測(cè)試后，于2019年8月31日在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，隨“太極一號(hào)”乘坐“快舟一號(hào)”順利進(jìn)入預(yù)定軌道。目前，射頻離子微推進(jìn)系統(tǒng)在軌工作正常，成功完成了在軌的功能與性能測(cè)試工作，這也是國(guó)際首次在軌驗(yàn)證了射頻離子微推進(jìn)技術(shù)！
圖6 “太極一號(hào)”乘坐“快舟一號(hào)”成功發(fā)射升空
責(zé)編：微科普