在载能束与固体相互作用方面,系统研究了载能粒子作用下的材料表面、界面问题,建立表面受限流动、分层软化模型来解释高能束与固体表面之间的相互作用规律,为特种能场下新型材料的开发及应用提供了重要的实验及理论支撑。
针对陆装某型号产品疲劳寿命及稳定性差的问题,担任陆装传动元件型号项目主任设计师,首次提出极端服役条件下传动部件结构完整性评估设计方法,并将复合强韧化设计方法推广至传动元件型号装备,使产品疲劳极限提高 40% 以上,且分散度大大降低,通过台架及实车考核,为某型号产品的寿命倍增提供了关键技术 支撑。
近年来 Appl Phys Lett、Appl Surf Sci、J Mater Sci Tech、J Nucl Mater、Mater Sci Eng A 等 杂志共发第一(通讯)作者论文 27 篇(含 Q1 区杂志 16 篇) ,引用 300 余次,受理及授权 专利 7 项, 并入选中国科学院力学研究所“优培计划”B 类、中国科学院青年促进会会员等。
16年2月22日,国家领导人对引力波做出重要批示,要求研究其战略价值、努力抢 占国际科技制高点。2017 年诺贝尔物理学奖颁发给了美国激光干涉引力波天文台(aLIGO) 三位科学家,表彰 aLIGO 在地面首次直接观测到双黑洞并合产生的引力波事件。引力波的 发现是对爱因斯坦广义相对论所作预言的直接验证,为开启引力波物理学和引力波信使天文 学的新纪元奠定了基础。
但是,地面引力波天文台受地面噪声、干涉仪尺度和波源强度的限制,探测频段在十赫 兹以上。中低频(0.1mHz ~ 1Hz) 引力波源,有更深刻的宇宙学和天文学意义,探测这个频 段的波源需要摆脱地面噪声和地面实验尺度的限制,在太空实现百万公里臂长的精密激光干 涉测量。
引力波实验中心旨在面向科学院及国家重大战略需求,围绕空间引力波探测领域,聚焦 空间精密测控等关键核心问题,吸引相关领域优势力量,推动力学和空间科学技术的深度交 叉,发展空间激光干涉测距系统、无拖曳航天控制系统、空间引力波探测地面验证平台等关 键技术。
一、全链条人才团队
空间引力波探测交叉性强,涉及基础物理、天文学、宇宙学、光学、电子、力学、工程 机械、航空航天等诸多学科领域。中国科学院力学研究所“引力波实验中心”挂靠在微重力 重点实验室运行,自 2020 年 4 月成立之日起,致力于引进和培养“基础 - 技术 - 工程”全链 条人才队伍, 目的是在夯实技术实力的同时, 建设团队在空间引力波探测领域中的总体地位。
引力波实验中心由胡文瑞院士任名誉主任,吴岳良院士任主任(聘) ,主要由微重力重 点实验室下属干涉测量团队和无拖曳微推团队联合组成。在两位院士的带领下,在所领导和机关的关心支持下, 中心经过近两年的发展, 目前在编成员十五人;其中,科技部重点研发 计划首席科学家两人,院特聘研究岗三人,研究员三人,力星人才一人。
中心自成立以来,广泛引进和吸收关键技术人才加盟。通过引进 人才徐鹏 研究员,填补了中心在引力参考传感器系统设计、测试和标定方案、重力梯度场反演和利用 研究方面的空白。引进杨然副研究员,承担了系统噪声建模与仿真任务。引进李丽仿助理研 究员,增强了相对论理论及实验检验的研究力量。顺利引进力星计划人才齐克奇副研究员, 填补了中心在引力参考传感器和悬挂系统工程研制方面的空白。引进李磐副研究员,弥补了 中心激光器研制和应用的空白, 丰富了中心在太极团队中的分工。引进王少鑫特别研究助理, 增强了光粘干涉仪工程研制的力量。
在积极引进人才的同时,中心还注重培养人才梯队。牛宇、贺建武、刘河山、章楚和刘 巍,都是从研究生阶段由我所自主培养的人才。其中贺建武副研究员现已成长为太极团队微 牛推进系统领域的核心成员,并且入选院特聘研究岗位。刘河山副研究员也成为太极联盟干 涉仪和相位计方面的青年领军人才,担任了干涉仪和相位计的主任设计师。牛宇副研究员、 章楚助理研究员和刘巍助理研究员,也分别在空间引力波探测的系统仿真、无拖曳控制算法 和望远镜表面应力无接触测量方面承担了重要任务。
二、复杂系统力学示范
引力波实验中心的主要任务是旨在建立空间引力波探测中星间激光干涉测量和无拖曳控 制的技术系统。无论是星间激光干涉测量系统还是无拖曳控制系统,均包含了数十种组成和 功能,其中星间激光干涉测量系统包括高稳光源、望远镜、高精度干涉仪、相位计、超稳时 钟及其噪声抑制、低噪弱光探测器、超前指向机构、呼吸角补偿机构、弱光锁相、激光锁臂、 时间延迟干涉、激光捕获和跟瞄、星间激光测距通信对钟等关键部件和技术;无拖曳控制系 统包括电容传感与静电反馈、电极笼与测试质量加工、锁紧与释放机构、电荷管理、真空维 持、离子微推进技术、冷气微推进技术、温度控制、超稳结构、质心调整、姿态控制、磁洁 净控制以及无拖曳控制算法等关键部件和技术。
如此复杂的系统,如何在微重力环境下,在满足超高精度、超长基线、超长寿命和在轨 使用轻量化、小体积、低功耗等约束的同时, 实现百万公里基线皮米精度测量、0.1fg 自由悬 浮控制以及 0.1 微牛精度推力控制, 涉及到光学原理、激光物理、空间物理、精密测量技术、 控制工程、结构和材料力学等多学科理论和技术,是一个典型的复杂系统力学问题。引力波 实验中心将以实现超低故障率并提升测量精度为目标,综合采用理论分析、数值仿真和实验 验证等技术手段,创立复杂力学系统的设计理论和分析方法,提出星间激光干涉测量系统和 无拖曳控制系统的总体设计方案,并开展综合性能验证。
在空间科学先导 B 类项目“多波段引力波宇宙研究”、空间科学先导 A 类重大背景型 号项目“空间引力波探测太极计划”、卫星工程项目“太极一号”和空间科学先导 A 类背景 型号项目“太极二号关键技术攻关”的支持下,中心在星间激光干涉测量和无拖曳控制两个 方面取得了一系列研究成果, 并且在 2020 年及 2021 年,均获得了重点研发计划项目级的支持, 包括“星间激光干涉测量系统分析和设计”项目(首席科学家罗子人副研究员) 和“高精度 推进器标定系统研制与性能测试”项目(首席科学家康琦研究员)。
三、小结
引力波实验中心将凝聚一大批国内外专业人才队伍,培养一大批掌握前沿技术的高素质 研究人才,促进相关学科的研究进步,促进各学科融合发展。同时将推动一大批高精尖探测 技术的成熟, 带动相关前沿产业行业的发展, 促进社会经济发展:拉动高精尖科学仪器研制、 装备制造等相关技术的学科发展、技术升级与产业升级;与载荷相关技术的无拖曳飞行控制, 高精度姿态定向、激光链路锁定等技术推广应用将引起太空飞行器姿轨控、激光通信、高精 度光学探测升级换代,促进太空技术产业化发展,产生巨大社会、经济效益。