第30章 智战泽塔人(3/4)

首发：~第30章 智战泽塔人

观测环境

- lisa：位于太空中，不受地球大气、地震等地面环境因素的干扰，能更稳定地进行观测，但面临太空辐射、微流星体撞击等风险。

- 地面引力波探测器：需要采取复杂的隔振、真空等技术手段来减少地面环境干扰，如建设在偏远地区、采用悬挂式干涉臂等。

技术难度

- lisa：涉及到高精度的航天器控制、激光远距离传输和干涉测量等技术，工程技术难度高。

- 地面引力波探测器：需要解决的主要技术难题是在地面环境下实现超高精度的激光干涉测量和对微弱信号的探测。

lisa的三个航天器主要通过以下方式保持相互间的精准距离：

轨道设计与控制

- 特殊轨道布局：三个航天器位于地球绕太阳的公转轨道上，彼此相距约250万公里，形成等边三角形。这种布局有助于减少地球引力对测量结果的干扰。

- 轨道调整与维持：通过航天器上的推进系统，根据地面控制中心的指令，实时调整航天器的轨道参数，使其保持在预定轨道上，确保相互间的距离稳定。

激光干涉测量与反馈控制

- 激光测距与监测：利用激光干涉技术，测量三个航天器之间的绝对距离和微小距离变化，可测量到厘米级的绝对距离和皮米级的小时尺度波动。

- 实时反馈与调整：根据激光干涉测量得到的距离信息，通过航天器上的微推进器等装置，对航天器的位置和姿态进行微调，保持相互间的精准距离。

航天器设计与技术保障

- 高精度仪器设备：配备高精度的望远镜、反射镜、传感器等设备，确保激光发射、接收和测量的准确性，为保持精准距离提供硬件支持。

- 无拖拽技术应用：采用无拖拽技术，隔离外界干扰力，使航天器能跟随内部悬浮小立方体的运动，减少非引力干扰对距离保持的影响。

无拖拽技术的原理是在卫星内部安装检验质量，将其作为惯性参考基准，利用高精度位移检测技术测量检验质量与卫星之间的相对运动，进而控制推进器产生推力，补偿卫星所受的干扰力和力矩，使卫星只受引力作用，从而实现等效的“零重力”空间环境。具体如下：

惯性基准建立

在卫星内部设置一个或多个特殊的检验质量，这些检验质量通常被置于真空、电磁屏蔽等特殊环境中，尽可能减少外界非引力因素对其的干扰，使其能近似地只受引力作用，可作为一个理想的惯性参考基准。

相对运动检测

采用高精度的位移传感器或其他测量手段，实时精确测量检验质量与卫星本体之间的相对位置和相对运动状态。当卫星受到外部非引力干扰力作用时，卫星本体相对检验质量会产生微小的位移或运动变化。

反馈控制与推力补偿

将相对运动的测量结果反馈给卫星的控制系统，控制系统根据测量信息计算出需要施加的补偿推力大小和方向，然后通过卫星上的推进器产生相应的推力，对卫星所受的干扰力进行抵消和补偿，使卫星能跟随检验质量的运动，保持相对静止或稳定的状态，减少非引力干扰对卫星的影响。

无拖拽技术主要有以下应用领域：

航天领域

- 引力波探测：如空间激光干涉引力波天文台（lisa），通过无拖拽技术隔离外界干扰力，使航天器能跟随内部悬浮小立方体的运动，减少非引力干扰对距离保持的影响，从而精准探测引力波。

- 卫星导航与定位：减少卫星所受非引力干扰，提高卫星轨道精度和稳定性，进而提升卫星导航系统的定位精度和可靠性。

工业制造领域

- 高精度加工与测量：在半导体制造、精密机械加工等领域，可减少外界干扰对加工设备和测量仪器的影响，提高加工精度和测量准确性。

- 机器人操作与控制：部分高精度机器人采用无拖拽技术，实现更精准的运动控制和操作，提高生产效率和产品质量，可用于汽车制造、电子设备生产等领域的焊接、装配、搬运等工作。

科学实验领域

- 微重力实验：在空间实验室或地面模拟微重力环境的实验中，无拖拽技术可减少其他干扰力的影响，为微重力实验提供更接近理想的实验条件，研究物质在微重力下的物理、化学和生物特性。

- 量子物理实验：为量子物理实验创造极低温、极微弱干扰的环境，减少外界干扰对量子态的影响，提高量子比特的稳定性和相干时间，有助于量子计算、量子通信等技术的发展。

医疗领域

- 医疗设备与仪器：如高精度的医学成像设备、微创手术器械等，采用无拖拽技术可减少外界干扰对设备性能的影响，提高成像质量和手术操作的精准度。

- 康复治疗与辅助设备：一些康复训练机器人和辅助行走设备利用无拖拽技术，可更精准地模拟人体运动，为患者提供更个性化、更有效的康复训练方案。

空间激光干涉引力波天文台（lisa）的具体构造如下：

航天器布局

由三个相同的航天器组成等边三角形星座，边长约250万公里。它们在地球绕太阳的公转轨道上，与太阳连线和地球与太阳连线夹角约20°，且轨道平面相对黄道面倾斜约033度。

内部结构

- 光学系统：每个航天器配备双望远镜，用于发射和接收红外激光束，其由琥珀色微晶玻璃制成，表面镀金，以保证在接近室温时最佳运行，减少热损失并更好地反射红外激光。

- 干涉仪系统：每个航天器包含两个光学台，有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件，以及数字信号处理电子器件，构成迈克尔逊干涉仪。

- 测试质量：在每个干涉仪后安置一个46mm、约2kg的金-铂合金立方体作为测试质量，其中一个表面打磨成平面镜用于反射激光。

其他设计

采用无拖拽技术，通过使测试质量在航天器内自由漂浮，利用电容传感确定航天器相对质量的位置，再由精确的推进器调整航天器，使其跟随测试质量运动，减少非引力干扰。

lisa 的三颗卫星通过以下方式保持在等边三角形星座中：

轨道设计与控制

- 特定轨道布局：三颗卫星处于地球绕太阳的公转轨道上，经过精确计算的轨道设计使得它们在空间中自然地保持相对稳定的位置关系。

- 轨道调整推进系统：卫星上配备有推进系统，可根据需要进行微小的轨道调整，以补偿由于各种干扰因素导致的位置偏差。

激光干涉测量与反馈

- 激光测距与监测：卫星之间通过发射和接收激光束进行干涉测量，实时监测彼此之间的距离变化。如果距离出现偏差，系统会立即检测到。

- 反馈控制：根据激光干涉测量得到的距离信息，控制系统会计算出需要进行的调整，并向推进系统发出指令，对卫星的位置进行微调，以保持等边三角形的构型。

高精度导航与通信

- 导航系统：卫星配备高精度的导航系统，能够精确确定自身的位置和姿态，为保持在特定星座构型中提供准确的位置信息。

- 通信系统：三颗卫星之间通过高效的通信系统保持联系，实时交换位置和状态信息，以便协同调整位置，共同维持等边三角形星座。

除引力波探测外，lisa还能用于以下科学研究：

黑洞研究

- 孤立黑洞的测绘与特性验证：精确测量孤立黑洞的相关参数，验证其是否符合克尔度规描述的“无毛”时空构型，加深对黑洞时空特性的理解。