| 成果名称: | 天琴空间引力波探测计划基础理论及关键机理研究 |
| 完成单位: | 中山大学,华中科技大学,哈尔滨工业大学,中国科学院云南天文台,广州大学 |
| 主要人员: | 罗俊,叶贤基,张锦绣,杨山清,梅健伟,胡一鸣,涂良成,周泽兵,曹喜滨,段广仁,李语强 |
| 介绍: | 1.课题来源与背景。 课题类型：广东省基础与应用基础研究重大项目； 课题来源单位：广东省科学技术厅； 课题名称：天琴空间引力波探测计划基础理论及关键机理研究； 课题编号：2019B030302001。引力波是独立于电磁波的全新媒介，有望为人类探索宇宙提供全新的途径，并为人类描绘一幅更全面的宇宙图景。天琴空间引力波探测计划将打开目前尚无法被人类探测的0.1mHz-1Hz频段的引力波探测窗口，该频段波源丰富，探测的空间范围覆盖整个宇宙，是引力波探测的最关键频段。欧空局主导的空间引力波探测LISA项目已经于2024年初正式立项，预期2035年发射。空间引力波探测任务要成功实施，必须解决从原理、到技术、到工程的一系列重大问题。本项目以天琴计划关键科学目标问题为牵引，围绕天琴计划亟待解决的各方面核心技术和瓶颈问题，通过基础科学和技术机理研究之间的迭代融合，全面解决天琴计划基础理论及关键机理问题，细化明确天琴关键科学目标、完成天琴探测信号辨识分析工具、突破天琴计划核心技术原理，建立满足天琴计划空间引力波探测需求的卫星平台及编队理论和方法，为我国空间引力波探测任务的顺利开展扫清原理上的障碍。 2.技术原理及性能指标。在天琴计划关键科学目标问题分析方面，系统分析天琴对各种天体物理和宇宙学波源的探测能力，分析天琴对天体物理、基础物理和宇宙学的推动作用，要求涵盖天琴所有主要科学目标，包括但不限于大质量黑洞、极端质量比旋近、恒星级双致密星旋近、银河系双致密性绕转、随机引力波背景、宇宙膨胀探测、检验引力和黑洞本质、探测宇宙弦等潜在波源等，在阐明相关天文学、宇宙学、基础物理前沿背景的基础上，综述利用引力波开展相关研究的现有成果，给出天琴预期贡献的定量结果。在天琴计划引力波探测信号辨识测量研究方面，围绕天琴科学数据处理需求，研发数据处理软件工具一套，要求初步具备天琴引力波信号辨识测量全过程能力，可以模拟引力波探测器数据、生成并注入模拟引力波信号、辨识引力波信号、测量引力波物理参数。在天琴计划星间激光干涉测量技术机理研究方面，开展星间激光干涉测量原理模型和指标体系研究，完成误差分析，开展原理验证。研制星载激光稳频控制演示系统，激光频率噪声达到10Hz/Hz^(1/2)@0.1Hz；研制星载超稳干涉光学平台原理样机，温度系数达到20nm/K；研制弱光锁相控制演示系统，锁相残余噪声达到0.1mrad/Hz^(1/2)@0.1Hz；研制星间激光光束捕获与跟踪演示系统，激光光束指向测控精度达到10^(-6)rad/Hz^(1/2)@0.1Hz。在天琴计划惯性基准技术机理研究方面，开展空间惯性基准原理模型和指标体系研究，完成误差分析，开展原理验证。研制高精度扭秤弱力测量装置，灵敏度达到10^(-12)m/s^2/Hz^(1/2)；完成宇宙射线、残余电荷、剩磁、残余气体等干扰因素对检验质量的影响机理研究，针对加速度噪声10^(-15)m/s^2/Hz^(1/2)的目标，给出对每部分的影响要求及误差大小；研制冷气、胶体微推进原理样机，实现微牛级推进器的功能。在天琴计划超静超稳卫星平台及编队飞行机理研究方面，开展超静超稳平台光机热一体化设计与耦合效应补偿、在轨结构形变实时监测与质心估计与调整、多无拖曳平台高精度跟踪与协调控制等关键技术攻关。研制基于气浮转台的小型多平台高精度捕获跟踪控制模拟系统，要求捕获跟踪精度优于1mrad；研制面向多星编队的全数字仿真平台，要求支持模拟3星编队的星载AOCC软件的运行环境/指令集，能够与动力学仿真模型运行同步，仿真加速比不小于5倍；研制超稳定卫星结构样件，要求试验前后频率变化优于15%@一阶频率，核心载荷定位误差≤300μm，单轴（敏感轴）质心误差≤0.3mm。 3.技术的创造性与先进性。项目明确了地心轨道空间引力波探测任务的科学发现潜力，构建了面向地心轨道空间引力波探测任务的数据处理软件框架，完成了国内最低噪声水平的星间激光干涉测量方案构建和关键技术在轨验证，完成了国内最低噪声水平的空间惯性基准方案构建和在轨验证，提出了具备高精度协同运行能力的空间引力波探测卫星平台设计理论与方法体系，构建了地面孪生仿真环境。 4.技术的成熟程度，适用范围和安全性。本项目对天琴计划涉及的基础性原理性问题进行了系统的研究和解决，对引力波物理学和天文学、引力波探测信号处理、引力精密测量、空间技术等领域的研究起到了支撑和推动作用，极大支撑了 “天琴一号”技术试验卫星在轨试验的成功开展和“XX二号”技术试验卫星的立项研制。项目成果将为后续“天琴三号”空间引力波探测卫星任务的开展提供理论依据与技术支撑，同时对地球重力场测量等领域有重大应用价值。 5.应用情况及存在的问题 。项目成果在“天琴一号”技术试验卫星上进行了应用。“天琴一号”技术试验卫星于2019年12月成功发射，于2021年1月圆满完成任务后退役，超期服役约7个月。“XX二号”技术试验卫星于2021年底正式立项，将进一步对本项目技术成果进行应用和验证。 6.历年获奖情况。 “天琴一号”技术试验卫星相关成果获2023年度广东省科技进步奖一等奖1项。 |
| 批准登记号: | |
| 登记日期: | 2025-08-27 |
| 研究起止时间: | 2019-09-01至2025-03-25 |
| 所属行业: | 科学研究和技术服务业 |
| 所属高新技术类别: | 航空航天 |
| 评价单位名称: | 广东省科学技术厅 |
| 评价日期: | 2025-06-10 |
