2019 年 8 月 31 日，中国科学院在甘肃 酒泉中国卫星发射中心发射了一颗名为“太 极一号”的卫星，这颗卫星是为了在太空里 探测引力波而开路的——进行前期关键技术 的验证。

　　2016 年 2 月，全世界的科学家都为引力 波的发现而无比兴奋，它不仅直接证明了爱 因斯坦的广义相对论，还为人类开启了探索 宇宙的新旅程，因为引力波包含着大量的宇 宙演化的信息(例如，恒星死亡、黑洞形成 与成长、银河系演化等) 。所以，2017 年诺 贝尔物理学奖颁给了成功在地面探测到引力 波的三位美国科学家。

　　由于引力波信号非常微弱，探测难度很 大，如同测量我们对着一栋高楼大厦吹口气 所产的震荡。2016 年所发现的引力波信号是 科学家们在地面上探测到的，他们使用了两 台相距 3000 千米的激光干涉仪(全称为激光 干涉引力波天文台，英文缩写为 LIGO) ， 其中每台都是由两根直径为 1.2 米、长度为 4000 米的真空钢管按 L 型构建而成。

　　当然，与此同时，科学家不约而同地想 到：能否到太空里去探测引力波呢？这里的 原因不难理解：首先和在地面上相比，太空 的环境更加安静，噪声源少，能够极大的发挥探测设备的高灵敏度；其次，在太空基本不受空间限制，能加长激光干涉臂长，这样更容易捕获引力波涟漪的信号；最后，地面只能实现高频引力波探测，而在太空里还可以探测到中低频引力波，中低频的引力波波源更加丰富，具有更重要的天文学、宇宙学和物理学意义。

图 1 建在美国的地面激光干涉仪 LIGO 照片

图 2 三角形编队飞行的空间激光干涉仪示意

　　“空间太极计划”就是中国科学家胡文 瑞院士等提出的一项空间引力波探测计划， 他早在 2008 年就发起了中国科学院引力波探 测论证组。2010 年， 推出太极计划初步方案， 2015 年，正式提出太极计划发展路线图。“空 间太极计划”采用三颗卫星完成等边三角形 编队飞行，两两相距 300 万千米(即三角形 的边长) ，这个星组在日心轨道上飞行，以 期探测到达这个轨道范围上的引力波。而刚 刚发射升空的“太极一号”(Taiji-01) 就 是为最终任务“太极三号”(Taiji-03) 打 前阵的。因为在太空利用卫星测量引力波的 方式要求卫星非常的稳定，不能左右摇晃， 哪怕是受到的太阳光压也需要想办法抵消 掉，使卫星处在合力几乎为零的状态。

图 3  “空间太极计划”示意图：中间红色星球为太阳，右 侧蓝色星球为地球， 右上侧白色星球为月亮， 三角形编队的

　　太极三号运行在日心轨道上

　　怎么办？如何抵消卫星受到的太阳光  压？怎样保持卫星的姿态？科学家给“太极” 卫星配备了一种微型推进系统(简称为“微  推力器”) ，这种推进系统和咱们常常听到  的“长征”系列火箭不同。后者往往要把几  吨甚至是几十吨的卫星或飞船从地面发射到  太空，需要很大的推力。而“太极一号”卫星的轨道与姿态维持任务所需的推力十分之小，只要“微牛”(英文缩写为 μN)的数量级。这次“太极一号”上就装配了中科院力学研究所微重力重点实验室实验流体课题组研制的微推力器 μRIT-1，它的最大推力只有几十微牛，而推力分辨能力可以达到亚微牛级(相当于推力调节能力达到 1 千克物体所受重力的一亿分之一)。

　　这里的“牛”是作用力的单位“牛顿” 的简称，其中的“微”表示百万分之一。大 家知道牛顿第二定律为 F=ma(其中 F 是作 用力， m 是物体质量， a 是物体运动加速度) ， 1 牛顿就是使 1 千克质量的物体产生 1 米 / 秒 2 加速度所需的作用力。那么，大家来想 象一下，  “微牛”这种数量级的作用力到底 有多小？

　　对我们而言，一只小小的蚂蚁抬起一个物体的力量是微乎其微的。根据相关知识，工蚁的体重为 20~60 毫克，这里取 50 毫克为体重的估算值。而它可以抬起的物体重量为自身体重的 40~400 倍，这里取 100 倍来估算。就是说， 蚂蚁可以抬举起 5 克重的物体，为了克服这个物体的重力，蚂蚁需要付出的举 力 =0.005 千 克 *9.8 米 / 秒 2=0.049 牛=49000 微牛。

　　微推力器 μRIT-1 所产生的最大推力约为蚂蚁抬举物体的力量的千分之二。所以，我们把这种微推力器比喻为“蚂蚁”，一点也不过分。不过，这种蚂蚁不仅被送上太空去遨游，它还会不时地、根据需要向外喷火呢！

　　在学术上，微推力器 μRIT-1 有一个 挺拗口的名字——射频离子推力器。顾名思 义，它需要射频电流(也就是交流电，频率 为 300kHz-300GHz) 来提供能源。工质氙 气在推力器内部会形成“等离子体”这种相 对特殊的物态，它是我们所知道的自然界第 四种物态(这四种物态分别是：气态、固态、 液态和等离子体态) 。等离子体虽然在日常 生活中随处可见，但容易被人们忽视，如荧 光灯、霓虹灯和闪电等。在这种物态下，组 成物质的中性分子或原子发生了部分或全部 电离，所以等离子体中存在着等量的自由电 子(带负电荷)和正离子(带正电荷) 。射 频离子推力器要设法将等离子体中带正电荷 的离子喷出去，从而产生反向推力。这就是 我们高中物理中学过的牛顿第三定律，作用 力与反作用力的关系。

　　从射频离子推力器喷出去的正离子能量 很高，像一道明亮的火焰，发出耀眼的蓝色 光芒(参见图 4) 。所以， 我们把它戏称为“会 喷火”的蚂蚁！

图 4 运行中的射频离子推力器

　　图 5 是射频离子推力器工作原理示意图。可以看出，推力器有一个放电室，外面缠绕着螺旋线圈，前端有气体入口，尾端是栅极系统。此外，它还有一些辅助系统，包括气体流量控制单元和进气部件、射频发生器系统以及中和器等。别小看这些“辅助”系统，它们也发挥着重要的作用呢！例如，气体流量控制单元能够精确地调节、控制进入放电室的气体流量，从而使得推力的大小可以依据需要变化，因此这是一个可变推力的推力器，它的分辨力可以达到亚微牛量级。就是说，调节精度小于 1 微牛呢！

图 5 射频离子推力器工作原理示意图

　　现在让我们来看看射频离子推力器的工作原理吧！当缠绕在放电室外部的螺旋圈加载射频交流电时，根据高中物理所学的右手定则，我们可得知：在放电室的轴向方向形成周期变化的磁场，也就是说，在放电室轴向方向的磁通量会周期变化。再根据法拉第电磁感应定律，在放电室周向方向会感生出 环向电场。从推力器外部进入放电室里的电 子在环向电场中随机加速，部分电子可以获 得足以电离气体原子的能量，当这部分高能 电子与中性的气体原子发生碰撞时便有可能 使原子电离，从而产生具有等量自由电子和 正离子的等离子体。

　　但是，放电室里的等离子体不会自动 地飞离推力器进入太空，那么推力如何产生 呢？这就需要给等离子体一个“动力”—— 电势差， 把其中一种带电粒子引出去。于是， 科学家在推力器放电室尾部，安置了一套多 孔带电的导体板——栅极系统，其中屏栅有 上千伏的正电位，而加速栅为百余伏的负电 位。利用栅极系统与放电室内部等离子体间 的电势差，便可将放电室内的正离子引出推 力器，进而产生推力。但是，由于推力是利 用喷射正离子产生的，那么就需要一个配套 的装置能够喷射电子到推力器尾焰中，中和喷出去的正离子，这个装置就是前面介绍的中和器。不然， 推力器很快就会“罢工”了。因为没有喷出去的电子会积累在电路中，危及电子系统安全。虽然射频离子推力器的工作原理较为简单，我们利用高中物理知识就能解释，但是成功研制能够正常运行并满足任务要求的飞行样机并不那么容易。因为其中各个部件间的耦合关系十分复杂，需要开展大量的理论和实验研究工作。

　　射频离子微推进团队仅用了不到十个月 的时间，就研制出满足工程任务要求的微推 进产品，并按时交付卫星系统，经地面测试 后，于 2019 年 8 月 31 日在中国酒泉卫星发 射中心，随“太极一号”乘坐“快舟一号” 顺利进入预定轨道。目前，射频离子微推进 系统在轨工作正常，成功完成了在轨的功能 与性能测试工作，这也是国际首次在轨验证 了射频离子微推进技术！

图 6  “太极一号”乘坐“快舟一号”成功发射升空