31.08.2020

Перед охотой за гравитационными волнами

Китайский экспериментальный аппарат «Тяньцинь-1», созданный в рамках программы регистрации гравитационных волн космическими средствами и запущенный 20 декабря 2019 г., продолжает успешные испытания нескольких технологий, необходимых для будущей рабочей системы.

Напомним, что в общей теории относительности гравитация описывается как геометрическое свойство пространства-времени – его искривление, обусловленное распределением масс. Отсюда автоматически следует дальнодействие гравитации: гравитационный потенциал в любой точке пространства зависит только от положения гравитирующих масс в тот же момент времени.

Согласно той же ОТО, при движении массивных тел с переменным ускорением излучаются гравитационные волны, амплитуда которых пропорциональна массе и первой производной ускорения. Гравитационные волны распространяются со скоростью света. Физически прохождение гравитационной волны проявляется в относительном изменении расстояния между пробными массами.

Гравитационные волны были обнаружены косвенным образом по измерениям сокращения периода обращения двойных компактных объектов (часть энергии системы как раз и уносится гравитационными волнами), а в 2015-2017 гг. были зафиксированы непосредственно на наземных экспериментальных комплексах LIGO и VIRGO, которые наблюдали сигналы от слияния двух черных дыр и от столкновения двух нейтронных звезд. В обоих случаях колебания имели миллисекундный период, а их частота увеличивалась за время наблюдений, достигая примерно 300 Гц.

Европейское космическое агентство планирует примерно в 2034 г. создать космическую систему LISA с тремя межпланетными КА, расстояния между которыми – порядка 2.5 млн км – будут измеряться с высокой точностью. Экспериментальный аппарат LISA Pathfinder был запущен 3 декабря 2015 г. и продемонстрировал надлежащую чувствительность своих датчиков. Что же касается необходимой в эксперименте компенсации негравитационных сил, действующих на КА, то она была отработана и используется практически в серии экспериментов CHAMP – GRACE – GOCE по картированию гравитационного поля Земли и Луны.

Китайский проект «Тяньцинь» (天琴, буквально «небесная арфа»), предложенный Исследовательским центром гравитационной физики Университета имени Сунь Ят-сена (Чжухай), имеет целью создание к 2035 г. одноименной космической системы для регистрации гравитационных волн с очень низкими частотами – от 10-4 до 1 Гц. В этом диапазоне должно проявляться, например, спиральное движение ультракомпактных галактических двойных систем и внегалактических черных дыр звездных масс, а также слияние массивных черных дыр.

В отличие от LISA, три спутника «Тяньцинь» планируется разместить на околоземных орбитах высотой порядка 100000 км в форме равностороннего треугольника. Спутники будут оснащены системой компенсации возмущений, позволяющей следовать за пробной массой в центре аппарата, и системой лазерных интерферометрических измерений взаимной дальности.

Главой проекта с 2014 г. является академик Китайской АН, президень Университета Сунь Ят-сена Ло Цзюнь (罗俊). В 2015 г. был составлен план освоения необходимых технологий, состоящий из четырех пунктов:

0. Приобретение способности получения высокоточной орбитальной информации по спутникам системы «Тяньцин» с использованием наземных лазерных измерительных пунктов и уголковых отражателей на спутниках.

1. Демонстрация технологии бортовых инерциальных измерений и компенсации возмущений в экспериментах на единичном спутнике.

2. Демонстрация технологии межспутниковой лазерной интерферометрии на паре спутников.

3. Запуск и работа системы из трех спутников «Тяньцинь».

В рамках нулевого этапа, реализуемого с 2016 г., вводятся в строй обсерватории и проводятся эксперименты по лазерной локации отражателей на Луне (Apollo 11, Apollo 14, Apollo 15, Луноход-1, Луноход-2). Этим занимается не только Юньнаньская обсерватория вблизи Куньмина, которая обрела известность в экспериментах по отражателю Apollo 15. Вновь построенная станция на вершине горы Фэнхуан вблизи комплекса Университета имени Сунь Ят-сена в Чжухае стала первой в Китае обсерваторией, получившей отклик от всех пяти лунных отражателей.

Кроме того, на спутнике-ретрансляторе «Цюэцяо», находящемся за Луной на гало-орбите вокруг точки L2 системы Земля – Луна, установлен один 17-сантиметровый отражатель, который послужит следующей целью для лазерной локации.

В рамках первого этапа в 2018 г. был утвержден к реализации, а 20 декабря 2019 г. запущен экспериментальный спутник «Тяньцинь-1» (天琴一号). Аппарат запускался совместно со спутником ДЗЗ CBERS-4A, что и предопределило его орбиту – солнечно-синхронную высотой 625 км. На ней уровень негравитационных ускорений (торможение в верхней атмосфере и солнечное давление) составляет примерно 3·10-7 м/с2.

Аппарат спроектирован Космической спутниковой компанией «Дунфанхун», где его главным конструктором был Чжан Лихуа (张立华), и выполнен в виде параллелепипеда размерами 670x670x644.5 мм и массой 103 кг. Полезная нагрузка разработана силами Университета Сунь Ят-сена и Хуачжунского университета науки и техники и включает двигательную установку с регулируемой тягой на уровне микроньютонов, блок инерциальных измерений, систему компенсации возмущений и блок лазерной интерферометрии.

Спутник "Тяньцинь-1" -- размещение полезной нагрузки.

В центре КА находится блок инерциальных измерений с пробной массой из титанового сплава массой 72 г и размером 10x40x40 мм, центр которой находится в пределах 0.1 мм от центра масс спутника, емкостными датчиками смещения и подсистемой электростатического контроля. На оси X (направление полета) установлены два микродвигателя – пропорциональные газовые сопла, а вблизи центра – баллон с рабочим телом (сжатый газ).

Датчики смещения пробной массы показывают уровень ускорений. По их данным осуществляется электростатическое удерживание пробной массы в центре, а также работает контроллер A системы компенсации, который управляет газовыми соплами с целью сведения к минимуму измеряемого негравитационного ускорения. Если же требуется полная компенсация ускорений и реализация движения под действием одного лишь поля тяготения Земли, то электростатическая подсистема отключается, а по информации от датчиков работает контроллер B, компенсирующий смещение пробной массы реактивной микротягой. Иначе говоря, именно газовые сопла удерживают пробную массу точно в центре, а фактически ведут весь спутник вслед за нею, так что он не испытывает негравитационных ускорений вдоль оси X.

Блок лазерной интерферометрии с системой оптического считывания представляет собой отдельную систему, не связанную с остальными.

Первый цикл экспериментов продолжался с 21 декабря 2019 г. по 1 апреля 2020 г. Была проверена работа блока инерциальных измерений в обоих режимах – измерительном и управляющем. В первом режиме остаточное ускорение КА от негравитационных возмущений составило 1·10-10 м/с2/√Гц при 0.1 Гц и при чувствительности 5·10-12 в тех же единицах и при тех же условиях.

Газовые сопла продемонстрировали возможность выдачи тяги в пределах от 1 до 60 мкН с шагом 0.1 мкН. С включением второго режима примерно за 30 сек достигается снижение ускорения до уровня неразличимости. Предельный уровень негравитационных ускорений определялся «тяговым шумом» газовых сопел на уровне 0.3 мкН/√Гц, а остаточный шум по ускорению имеет величину 3·10-9 м/с2/√Гц. Поставлена задача настройки контроллера для улучшения работы газовых сопел и снижения «тягового шума» на низких частотах.

Спутник "Тяньцинь-1" -- режим компенсации негравитационных ускорений.

Отмечается, что для штатной работы системы «Тяньцинь» необходимо довести негравитационные воздействия на пробную массу до 10-15 м/с2/√Гц в исследуемом диапазоне частот гравитационных волн от 10-4 до 1 Гц, а для этого нужны датчики с аналогичным уровнем шума. «Тяговый шум» газовых сопел необходимо сократить втрое.

Кроме того, в эксперименте продемонстрировано поддержание температуры в точке измерений на уровне 20°C в пределах 3 мК за виток и измерение разности положений центра масс всего спутника и пробной массы вдоль всех осей с точностью лучше 0.1 мм. В целом разработчики довольны. Как сказал Ло Цзюнь 23 мая, «результаты испытаний лучше, чем того требовали запросы миссии».

В каталоге Космического командования США спутники, запущенные 20 декабря 2019 г., до сих пор не сопоставлены с наблюдаемыми объектами, за исключением наиболее крупного CBERS-4A (объект 2019-093E). График изменения средней высоты для основной группы объектов позволяет предположить, что обозначение 2019-093A относится к эфиопскому КА ДЗЗ ETRSS, а 2019-093С – к описанному выше «Тяньцинь-1».

Пять основных спутников от запуска 20.12.2019 -- эволюция орбит и маневры.

Для полноты описания добавим, что на КА «Тяньцинь-1» установлена попутная радиолюбительская аппаратура CAS-6. Радиомаяк работает на частоте 145.910 МГц, телеметрия идет на частоте 145.890 МГц (формат AX.25 4.8k Baud GMSK), частоты линейного транспондера – 435.280 МГц на линии «вверх» и 145.925 Мгц «вниз». Четвертьволновые антенны установлены на левом и правом борту КА. Позывной спутника – BJ1SO.

Автор: Liss

Поделиться в соц. сетях
777