利用激光差分干涉将卫星间的微小扰动(引力波引起)进行高精度的探测，是目前 被广泛接受用于空间引力波探测的最成熟手 段。无论是欧美的 LISA 计划，还是我国的 太极、天琴计划，都属于此列。相距百万公 里量级的卫星，位移扰动测量精度达到 1 皮 米才有可能探测到引力波的存在。

典型空间引力波探测系统组成如图 1 所 示。

　　图 1 典型空间引力波探测系统组成

　　空间引力波探测由四大关键系统组成： 激光干涉仪、惯性传感器、无拖曳及微推进 器，超静超稳卫星平台技术。惯性传感器提 供测量的惯性基准；无拖曳及微推进器消除 惯性基准受到的各类非保守力，使惯性传感 器中的基准质量块保持惯性运动；激光干涉 仪测量卫星间基准质量块的皮米级位移扰 动；超静超稳卫星平台给载荷提供安静的测 量环境(包括力热光电磁)。

　　空间引力波探测技术与力学息息相关， 本文主要讨论激光干涉仪与惯性传感器中的 力学问题。详细如下：

　　1. 激光干涉仪

　　激光干涉仪测量的是两基准物体间的皮 米级位移扰动变化信息。通过不同功能的光 学镜片引导激光束在光学基板上形成不同功 能的干涉仪，进而达到皮米级测距和纳弧度 测角的目的。但光束在光学基板、镜片、望 远镜间传输，材料的皮米级变形均会引起皮 米级的位移测量误差。因此，需要准确的分 析材料变形问题，这是材料力学和热力学的 基本问题。引起材料变形的主要因素分为受 力问题和受热问题。

　　a. 受力变形

　　一方面，卫星在运行过程中会受到外 力的扰动，比如卫星运动引起的振动和卫星 姿态控制中受到的微牛量级的推进力；另一 方面，卫星各组件内部，尤其是光学结构件 内部，由于微重力环境，会有内应力释放。 

　　这些力都将通过卫星结构传递到光学平台 上，使光学元件(反射镜、分光镜等)发生 变形，从而使镜片到镜片之间的光程长度发 生变化，最终引起干涉测量的光程噪声。因 此，我们可以对卫星整体进行力学建模，分 析卫星受到微推进器作用力下的光学元件的 变形情况；得到光学元件的变形量之后，可 以通过光学模拟软件对干涉光路进行追迹， 进而得到随着力的波动而导致的干涉光程的 变化。针对我国首颗空间引力波探测技术验 证卫星太极一号，图 2 给出了在两组微推进 器施加幅值分别 2N 和 1N，频率均为 0.1Hz 作用力情况下光学平台(含镜片)的仿真变 形云图。

　　图 2 太极一号光学平台受力变形仿真云图

　　b. 热胀冷缩

　　卫星在轨运行时会受到太阳能辐射的影 响，为了达到干涉测量的低噪声水平要求，

　　必须对整个卫星系统进行隔热处理，从而达 到 μK 量级的温度稳定性。尽管如此，根据 热胀冷缩的原理，光学元件仍然会受到温度 波动的影响。温度波动对变形的影响机制有 三种，分别是：热传导、热对流和热辐射。 但是在真空中无气体流动，因此在太极计划 中存在的热影响机制为热传导和热辐射。通 过这两种热影响机制，太阳能板受到的温度 波动经过层层隔热后依然能传递到光学平 台。根据热弹性理论，光学平台会受到热应 力的作用，引起光学元件的变形，从而使镜 片到镜片之间的光程长度发生变化，引起光 程噪声。

　　c.折射率变化(光弹效应)

　　光学元件折射率的变化与光弹效应相关， 光弹效应是指一个各向同性的透明介质受到 外力作用时会体现出各向异性，即光在各个 不同方向的传播性质不同，也就是光学折射 率发生了变化。上述提到的机械应力和热应 力都会引起光学折射率的变化。因此，当我 们考虑光学元件变形引起的光程噪声时，不 仅要考虑各个光学元件之间、光学元件内部 光传播的光程长度变化，还要考虑光学元件 内部光传播的折射率的变化，这些都与光学 系统本身受到的机械应力和热应力相关。

　　综上，干涉测量过程中受到的光程噪声 与力噪声分析息息相关，只有搞清楚整个系统的力学模型，了解变形机理，才能获得准 确的光程噪声分析结果。

　　2. 惯性传感器

　　惯性传感器是空间引力波探测的核心载 荷之一，其主要作用就是为皮米级激光干涉 测距系统提供惯性基准，要求作用在其内部 的测试质量上的残余加速度噪声小于 3×10- 15m/s2/Hz1/2 。作用在惯性传感器上的噪声大 致可以分为三类：直接作用在测试质量上的 扰动，作用在平台上的外界扰动通过平台与 测试质量间的耦合刚度所引入的噪声，以及 电容传感的读出噪声所引入的扰动。

　　图 3 LISA 探路者(2015 年 12 月发射升空)惯性传感器及其部分子模块

　　直接作用在测试质量上的扰动噪声来源 可以说是多种多样，比如：当空间中存在的 太阳高能粒子和宇宙射线的能量足够大时， 会穿透卫星平台并打击在测试质量上，直接对测试质量施加作用力，还会给悬浮在空间 中的测试质量带来或激发出电荷，形成累积 电荷，而这些电荷又会在电容传感系统的电 极和测试质量之间产生杂散库仑力，此外这 些电荷会随着测试质量一同在卫星轨道上做 高速运动，在空间磁场作用下又会产生洛伦 兹力。

　　由于卫星平台与测试质量间存在引力刚 度，电容传感电极与测试质量间存在静电刚 度，当测试质量与卫星平台发生位置变化或 相对运动时，会在测试质量上产生自引力波 动和静电力波动，进而引入噪声。

　　因此， 对这些引起噪声的扰动力的大小、 作用方式以及抑制方法的研究直接影响着空 间引力波探测任务的成败。

　　此外，为保证安全通过发射阶段恶劣的 振动环境，惯性传感器内部还设置有一套重 要的辅助机构——锁紧释放机构。其主要作 用是将作为惯性基准的测试质量安全可靠的 锁定在电极笼内，并在卫星入轨后，将测试 质量以尽量低的速度释放到惯性空间中，再 由静电力控制系统捕获后，进入到科学工作 阶段。测试质量是一块由金铂合金制成，表 面镀有金膜，重约两公斤的立方体，为保证 其安全的通过发射阶段，需要施加较大的锁 紧力，但又不能对测试质量造成损伤或引入 其他测量噪声，因此锁紧力的选择是锁紧释 放机构研制需要解决的重要问题之一。由于

　　静电力捕获系统的捕获能力有限，要求测试 质量的释放速度和释放角速度在微米每秒和 百微弧度每秒量级。而高真空状态下，压紧 的金属材料间存在一定粘附力，使测试质量 的释放难度大大提高，这也对锁紧释放机构 的研制提出了极高的要求。

　　由此可以看出，空间引力波探测惯性传 感器研制过程中所需解决的力学问题种类繁 多，错综复杂，对我国乃至世界的科学家和 工程技术人员都提出了巨大的挑战。

　　综上所述，激光干涉仪及惯性传感器中 主要解决的力学问题包括光学平台、望远镜 在微重力情况下的材料力热变形问题，惯性 传感器中测试质量块的动力学描述、锁紧释 放机构的动力学控制。当然，其余两大关键 技术中，卫星结构在微重力情况下的材料力 热变形、力热环境仿真。微推进器及无拖曳 控制技术中的微牛力测试与标定、测试质量 多维动力学描述、卫星多维动力学与无拖曳 控制等问题均是典型的材料力学、热力学和 动力学与控制的基本问题。因此力学在空间 引力波探测领域中大有可为，应充分发挥力 学学科在我国相关探测计划中的优势。

　　刘河山，副研究员，中 国科学院微重力重点实验室。 研究领域：1)空间激光干涉 技术；2)高精度相位测量技 术。

　　齐克奇，副研究员，中 国科学院微重力重点实验室。 研究领域：1)惯性传感器件 的设计和研制；2)先进振动 隔离与抑制方法及装置研究； 3)高精度柔性运动机构的研 究及应用。

　　罗子人，副研究员，中 国科学院微重力重点实验室。 研究领域：1)空间引力波探 测；2)星间激光干涉测量系 统分析与设计。