欧空局(ESA)研究地球重力场全球洋流的GOCE卫星

GOCE

中间提到了它的测量精度相当于如果把它放在一艘万吨巨轮上可以感受到一片雪花落到船上时产生的加速度。依靠的就是它不可思议的静电重力梯度仪(Electrostatic Gravity Gradiometer)。

众所周知,地球不是个球体,但也不是个椭球,而是个异常复杂有着不同重力分布的奇怪物体,如果按照重力场去画,地球基本上是这个样子的

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那么,这颗卫星就飞在了250千米高的轨道上,这个轨道忒低了,一般卫星进入这个就变成了自杀模式:这个高度上的空气密度虽然只有地球表面一亿分之一不到,但由于卫星飞的速度在7km/s以上,依然有“比较大”的摩擦力。这个力对最小的生物几乎都不会有影响,但对卫星寿命影响很大,会导致卫星轨道降低提前失效返回地球。

GOCE的等离子发动机

对于GOCE卫星而言,这个摩擦力也会影响重力测量仪器,所以要把它修正掉。用的是一种叫做等离子发动机的东西

它利用电离的氙,在电磁场里加速到40000m/s的速度喷出去,产生反作用力形成推力,帮助GOCE卫星实时抵消空气阻力。

整个过程是全自动的,它的作用力大概在毫牛顿级别。这个力的大小大概相当于你喝牛奶时一滴奶不小心掉到了地上,然后它这个落地的冲击力用来推送这颗将近15个你(你有60公斤?)体重的卫星去克服阻力飞行。

只用了40公斤氙燃料,整个任务期间全程保持发动机开动,推了这颗卫星四年时间!燃料用完,卫星两个月就被大气拖回地球了。

重力梯度仪

最近开会时无意碰到了欧空局对重力梯度仪提需求的甲方一位负责人,聊了聊发现它的精度还是被我曾经写的给低估了不少,就单独写一写也给自己做个学习记录好了。

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这就是重力梯度仪,它的原理其实就是在一定的距离上放置两个测量加速度的加速度计,通过它们之间的区别(梯度)来精确推演重力场。

这就好比是LIGO用来找引力波,得靠两个巨大的干涉臂来感知引力波的微小变化,甚至这也不够,还需要在华盛顿和路易斯安娜这两个距离3000千米的城市中同时测量。这种思路探测引力波收获颇丰,比如就得了2017年的诺贝尔奖。

而GOCE重力梯度仪的这个“臂”仅有0.5米,如果测量超高精度,要求就非常高了。

GOCE重力梯度仪的一些关键数据吓死人。

  • 它的感知精度在 $10^-12 m/s^2
  • 它的臂要求极高,是用碳纤维拼接成的碳纤维矩阵加工而来,以造成完全各项同性的变化,碳纤维毕竟在长度和宽度方向上有所不同;
  • 不管卫星表面处于正负上百摄氏度的怎样温度变化,内部要绝对控温,200秒钟内的温度稳定性要不超过0.01摄氏度,尽力减少温度导致的变形;
  • 加速度计上的敏感质量(由铂铑合金制造而来)距离变化测量精度要求做到实时60纳米,大概是人类头发直径的100万分之一;

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