OEE封面 | 空间引力波探测望远镜研究进展

空间引力波探测计划采用三颗航天器在空间组成等边的三角形星座，三个航天器之间的夹角会随着季节发生一些微小的变化。以LISA的轨道为例，在轨6年时间轨道呼吸角的变化约为±0.8°。为了保证探测任务的连续进行，需要对轨道呼吸角进行补偿，目前主要有两种解决方案：1）通过整体转动望远镜和后光学平台实现补偿；2）通过一个大视场的望远镜和高精度的指向镜在视场内改变光轴指向进行补偿。两种方案各有优缺点，整体转向的方案需要对望远镜和航天器平台之间的光纤和电缆连接进行特殊考虑，严格控制由运动产生的噪声，另外由于望远镜和后光学平台转动惯量较大，对航天器的姿态扰动也较大；视场内指向的方案可以避免上述两个缺点，但是增加了望远镜的复杂程度，指向镜的研制难度也比较大，指向镜的运动也会引起测量噪声，图1所示为两种方案的对比示意图。

空间引力波探测望远镜对杂散光具有极其严苛的要求，主要基于两方面的原因：一方面是本地发射的激光经过远距离传输之后，能够被远端接收的信号非常微弱；另外一方面是发射激光的后向散射杂光与本振激光具有相同的频率，与本振光具有相干性，会直接产生干涉信号的相位噪声。对杂光影响最大的是望远镜的后向散射，后向散射除了与光学系统形式有关，还与光学表面散射特性有密切关系，主要包括光学元件表面的粗糙度、膜层特性、表面疵病以及表面的污染情况等。双向散射分布函数BSDF是表征表面散射特性最常用的手段。表面粗糙度引起的散射可以采用Harvey-Shack模型，由颗粒物污染引起的散射可以采用Mie散射模型，而且散射模型的参数可以根据光学元件的实际测试结果进行修正，再输入杂散光分析软件进行系统仿真，提高仿真的精度。根据目前的研究，光学表面的污染引起的杂散光比光学表面的粗糙度引起的杂散光更严重。随着工艺水平的提升，光学表面的光滑程度还有进一步提高的空间，与光学表面的粗糙度相关的杂散光还可以进一步降低；与表面污染相关的杂散光抑制，有赖于污染物的散射模型精度提升与污染的控制措施。

热环境和望远镜的温度稳定性是保证望远镜稳定性的关键。LISA和“太极计划”采用太阳轨道，轨道面与太阳矢量的夹角（β角）变化比较小，基本稳定在60°，空间热环境也非常稳定。外热流的主要波动源是太阳常数的波动，根据长期的太阳辐照监测数据总结的经验公式估计，在0.1 mHz频段太阳常数的波动为3.77 Wm^-2/Hz^1/2。经过热控系统之后，热控系统的设计思路如图3所示，根据Morgenroth的初步热分析结果显示由太阳常数的波动引起的望远镜主镜温度波动为9.9×10^-7 K/Hz^1/2@0.1mHz；由电子学单机引起的望远镜主镜温度波动为3×10^-5 K/Hz^1/2@0.1 mHz。电子学单机热耗引起的温度波动远大于太阳常数引起的温度波动。对于“天琴计划”，其采用的是地心轨道，任务周期内的β角变化比较大，每年的变化范围约为-85°~+85°。因此，目前天琴拟采用“3个月测量、3个月待机”的交替运行模式，在测量时段内β角的变化范围约为46°~85°。经过Chen等人的分析研究，从频域来看，在0.1 mHz ^-1 Hz频段内，由β角的变化引起的外热流波动< 10^-3 Wm^-2/Hz^1/2；主要的外热流扰动仍来自太阳常数的波动，约为5 Wm^-2/Hz^1/2，与LISA太阳轨道的热环境基本处于同样的水平。