基本介紹
- 中文名：SMART-2衛星
- 外文名：LISA Pathfinder
- 官方名稱：雷射干涉儀空間天線探路者
- 發射時間：2015年12月3日
- 發射地點：法屬蓋亞那太空中心
- 任務：驗證空間引力波探測技術
任務背景,任務目標,有效載荷,任務歷程,任務特點,
任務背景
1998年，“探路者”作為“歐洲雷射干涉儀空間天線技術試驗”（ELIFE）被首次提出，任務為一個處於地球同步軌道的太空飛行器，將對“雷射干涉儀空間天線”（LISA）任務所需的技術進行驗證。“雷射干涉儀空間天線”任務原本是歐洲航天局與美國航空航天局（NASA）合作進行的一項空間引力波探測任務，任務由3顆日心軌道太空飛行器構成一個巨型“麥可遜”（Michelson）干涉測量儀，可通過雷射測量儀測量太空飛行器之間距離的微小變化，從而進行引力波的探測。
雷射干涉儀空間天線探路者加裝推進模組
2000年，為了回響小型先進技術研究任務－2（SMART－2）的徵求任務方案的公告，任務被重新制定並提交給歐洲航天局科學委員會。當時，提議將其作為“雷射干涉儀空間天線”和“達爾文”（Darwin）2項任務的先驅任務，包括2個自由飛行太空飛行器和3個有效載荷（歐洲航天局提供的“雷射干涉儀空間天線技術模組”、“達爾文技術模組”和美國航空航天局提供的“雷射干涉儀空間天線技術模組”）。同年11月，歐洲航天局科學規劃委員會（SPC）批准了該項任務。
經過初步研究，“達爾文”先驅任務被取消，任務減少為一個太空飛行器並重新命名為“探路者”，將攜帶歐洲製造的“雷射干涉儀空間天線技術模組”和美國航空航天局提供的“干擾減少系統”。2002年5月，該任務作為歐洲航天局新“宇宙願景2015-2025”科學規劃的一部分，得到了歐洲航天局科學規劃委員會的最終確認。
任務目標
“探路者” 將在滿足引力要求的環境中放置2個試驗質量塊，並以極高的精度測量它們的相對運動，進而證實僅受引力作用的物體在時間－空間中沿測地線運動。“探路者”的具體任務目標：
1）利用2個自由試驗質量塊對太空飛行器中“無阻力和姿態控制”進行驗證；
2）驗證雷射干涉儀在低頻率波段以皮米級的解析度進行測量的可行性；
3）測試儀器在空間環境的可靠性和使用壽命。
在愛因斯坦的廣義相對論中，引力並不被考慮為一種外力，而是時空曲率的來源。在宇宙中下放一個質量體（一個平直時空），僅受引力作用的試驗質量塊將沿直線勻速運動（牛頓第一定律）。然而，按照廣義相對論的描述，在真實的宇宙中質量導致的引力/曲率將修改牛頓第一定律成為：在沒有外力的作用下，試驗質量塊將沿測地線運動。微粒在僅有引力作用下沿時間－空間中的測地線運動是廣義相對論的基礎，所有試驗的目標都是驗證廣義相對論的預言。
“探路者”將驗證引力波探測所需的技術，並不能直接探測引力波。對於1m的距離而言，低頻引力波只能引起10～10m的位移，這比原子核10m的大小還要小几個數量級。“探路者”任務中2個試驗質量塊的距離僅為0.35m，低頻引力波引起的位移是無法測量的。未來引力波探測任務中，空基幹涉儀的臂長將達到5×10km，從而使得低頻引力波引起的位移可以測量。
有效載荷
“探路者”發射質量為1910.0kg，太空飛行器結構為八角柱形，外直徑2.31m，高0.96m，其中一面敷有面積約為2.8m太陽電池板，另一面則連線推進模組。
不同於傳統的天文台或行星任務，“探路者”的有效載荷不能考慮為太空飛行器攜帶的離散硬體。在科學運行過程中，有效載荷和太空飛行器將分別作為一個單一機組：太空飛行器的控制由有效載荷驅動。“探路者”將攜帶“雷射干涉儀空間天線技術模組”和“干擾減少系統”2個先進的儀器。
雷射干涉儀空間天線技術模組
“雷射干涉儀空間天線技術模組”是由歐洲機構和工業部門研發的有效載荷，包括2個相同的試驗質量塊，分別懸浮在各自的真空罐內，將仿真“雷射干涉儀空間天線”任務的觀測布置。不同的是，“探路者”任務中2個試驗質量塊之間的距離僅為35cm，而未來引力波觀測任務中試驗質量塊之間的距離將達到5×10km。試驗質量塊直徑46mm，質量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）和較高的密度（約為20kg/m），這樣的組合可以降低外力對試驗質量塊的影響。
雷射干涉儀空間天線技術模組示意圖
該模組主要負責存放試驗質量塊，並為“無阻力和姿態控制系統”提供試驗質量塊的位置信息。“無阻力和姿態控制系統”是太空飛行器重要的子系統，主要完成太空飛行器的動力學控制。太空飛行器姿態通過1對星敏感器確定，姿態調整則由一系列微推進器執行。
它包括2個主要子系統：慣性感測器子系統和光學測量子系統。慣性感測器子系統包括試驗質量塊和所有與試驗質量塊直接相互作用的系統，例如，電極殼、前端電子設備、真空系統、充電管理以及鎖定機構。光學測量子系統是用於測量試驗質量塊位置的高解析度雷射干涉儀，包括基準雷射單元、雷射調製器、光具座干涉儀和相位表。
干擾減少系統
“干擾減少系統”是由美國航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）提供的一個試驗裝置，將驗證“無阻力”太空飛行器所需的系統級技術。“干擾減少系統”可以消除太陽光壓等作用力，從而確保被控太空飛行器沿著僅受引力作用的軌道運行。
它利用“雷射干涉儀空間天線技術模組” 獲得感測器信息，執行機構包括2組微型推進器。推進器通過電場加速電離的膠體液滴，從而提供微推進力。“干擾減少系統”將使用來自“雷射干涉儀空間天線技術模組”的感測器信息控制太空飛行器的位置和姿態。
任務歷程
“探路者”進入橢圓停泊軌道（近地點高度200km，遠地點高度1540km，軌道傾角為6.5°）後，太空飛行器將利用自身的推進系統達到最終的運行軌道— 距離地球1.5×10km的日地拉格朗日L1點附近的“利薩如”（Lissajous）軌道。轉移過程將需要3.1km/s的速度增量，主要通過400N化學發動機在近地點的數次推進實現。在執行最終的轉移機動之後，將查明科學太空飛行器的健康狀況，並投棄推進模組。
“探路者”從發射到運行軌道示意圖
選擇L1點附近的“利薩如”軌道作為運行軌道的原因包括：這裡距離地球較遠，可以避免地球重力和磁場的干擾；可以避免出現日食或月食，從而保持一個穩定熱環境；不需要複雜的通信設備等。
“探路者”任務可以劃分為以下5個階段：
1）發射和早期操作階段。包括太空飛行器組合體發射和遠地點提升機動，持續約21天。
2）轉移階段。包括最後一次近地點脈衝點火機動之後到發射組合體到達L1點，持續約20天。
3）分離和消旋階段。在到達L1點後，發射組合體在推進模組脫離科學太空飛行器之前將以5（°）/s的轉速旋轉，在與推進模組分離之後科學太空飛行器將利用微推進系統消除旋轉，該階段持續約15天。
4）試運行階段。在科學太空飛行器穩定之後將進行太空飛行器、推進系統和有效載荷的試運行，平台、“雷射干涉儀空間天線技術模組”和“干擾減少系統”的試運行時間都為10天。
5）在軌運行階段。該階段將進行科學操作，共持續6個月，其中“雷射干涉儀空間天線技術模組”運行90天，“干擾減少系統”運行60天，兩者聯合運行30天。“干擾減少系統”試驗將利用歐洲“雷射干涉儀空間天線技術模組”敏感器進行測量。任務自身可以擴展至1年。
到達運行軌道後，“探路者”將釋放試驗質量塊並保持質量塊不再與太空飛行器發生物理接觸。複雜的雷射測量系統將以10mm的精度測量試驗質量塊的相對運動。
太空飛行器自身將充當試驗的一個能動部分，其微推進系統每秒鐘將點火數十次進行位置的調整，避免試驗質量塊與太空飛行器發生接觸，從而保證引力以外的作用力不會對試驗質量塊造成影響。
如果“探路者”順利完成這些極高精度的測量和操作，建立空間天文台探測引力波造成的微小時空擾動將成為可能。當2個質量塊相距數百萬千米時，這些微小的擾動預計將只有幾千萬分之一毫米。
“探路者”將作為一個空間物理實驗室進行運作。在6個月的運行時間內，科學家將分析每日運作得到的數據，進而設計探測器後續的試驗。
任務特點
“探路者”中採用了多項全新的和高精度的技術。如果“探路者”順利完成試驗的極高精度測量和操作，未來空間引力波探測將成為可能，這將開啟人類認識宇宙的另一扇視窗，對於物理學和天文學的發展都具有重大的意義。具體而言，“探路者”任務具有以下特點：
（1）踏出了空間引力波觀測的第一步
“探路者”將在空間中對觀測引力波所需技術進行首次測試。引力波觀測將極大地提高廣義相對論的知識，並且幫助科學家觀測諸多天文事件的效應，這些天文事件被認為能夠造成空間本身構造微乎其微的扭曲。
（2）全新的開創性空間驗證任務
“探路者”是一個開創性的空間任務。驗證的技術是全新的，並且無法在地面實現完整驗證。這是因為地球引力和環境將淹沒測試結果，只有在空間中利用極其精確的儀器才能觀測引力波的微弱影響。
（3）完全不同的宇宙天文觀測方法
迄今，對於宇宙的全部認識都是基於對可見光、紅外、紫外、無線電、X射線和γ射線等電磁波的觀測。“探路者”將為完全不同的宇宙觀測方法，即引力波觀測鋪平道路。這將允許天體物理學家解答一些關於宇宙最基本的問題。
（4）迄今最高的測量精度
“探路者”將建立一個相當精確的慣性參考坐標系，可精確測量試驗質量塊相對於太空飛行器的微小運動，精度可達10m。而且，利用極其精確的雷射干涉法可以對“雷射干涉儀空間天線技術模組”內2個試驗質量塊之間的相對運動進行測量，精度將達到10m。
