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重力探针B,第3部分:精进的科学,令人难以置信的工程设计,但成果平平:实现

2020-02-12    阅读量:31248    新闻来源:互联网     |  投稿

一项艰巨而昂贵的轨道科学实验着手通过突破科学和工程学的边界来验证广义相对论的微妙之处,但结果却没有定论,令人沮丧。


重力探头B旨在测量不可测量的东西。第1部分探讨了原理,第2部分探讨了实验和仪器的计划中国机械网okmao.com。本部分介绍重力探测器B的实现。


工程师知道,基础项目与最终应用程序中的区别在于包装。GP-B也是一样。任何外部干扰,特别是磁场都会影响读数。为防止任何此类撞击,陀螺仪转子和SQUID组件装在一个铅球囊中-确实如此(图1)。否则,外部磁场会穿透超导壳。GP-B使用一系列四个铅袋或气球。设计人员将陀螺仪组件插入第一个袋中,然后将其冷却至超导温度并使其膨胀,从而进一步降低磁场。他们将第一个袋子插入下一个袋子,该袋子经历相同的冷却和膨胀,依此类推。此技术可导致机箱的功率极低(10 –6 高斯)和稳定的磁场。


为了使实验可行,还需要一个要素:陀螺仪组件必须知道其指向的方向,以作为校准参考。陀螺转子指向与参考方向之间的角度变化表示可能会拖曳帧。


大多数卫星和导弹使用的参考技术是将望远镜对准恒星。GP-B使用相同的方法,但有所增强。整个SIA(科学仪器组件)包括陀螺仪及其自旋探测器,它们以望远镜为参考,望远镜又以导星为参考。


在太空中,你不能问路


GP-B所用的望远镜和导向星都是很特别的。14英寸长的望远镜具有5.6英寸直径的主镜,由熔融石英制成,与陀螺仪的转子相同。四个转子和检测质量装在一个熔融石英块中,该块粘合到望远镜的后部。望远镜的二十个部分通常不固定也不固定在一起。相反,它们是使用“光学接触”组装的,其中将超光滑,超干净的表面压在一起。然后,通过分子粘附,这些不同的部分将自己连接为一个超级组件,就好像它们是由单个较大的材料块制成的一样(图)。


所选的引导星是IM Pegasus(目录名称HR8703),距离我们3亿光年。虽然它不如其他恒星明亮,但它具有其他有用的属性。尽管大多数人认为恒星是真实的点源,因此可以完美地作为参考,但实际情况却有所不同。没有起点是一个完美的点源,但是HR8703的角直径仅为1.3毫秒。衍射和其他不可避免的因素使HR8703发出的光散射,并将其可见光散布到大约1400毫秒。然而,以某种方式,GB-B跟踪系统需要找到该恒星图像的光学中心至0.1毫秒秒。


为了实现这一目标,探头使用了抖动功能,即通过小角度进行缓慢的左右移动。(请注意,在模拟/数字转换器电路中还使用了使用增加的噪声进行抖动处理,以“压缩”超出其基本能力的一两个额外分辨率)。恒星在宇宙背景下缓慢地在天空中移动,并且数据来自于其他卫星显示,IM Pegasus每年迁移约35毫秒。进行这种精确测量是可能的,因为该恒星是天空中最亮的微波发射源之一,并且它“靠在”更远的类星体和出色的微波源的背景阵列上。这些类星体共同构成了HR8703的参考框架。


设计师在其他无关的项目或经过特殊设计的测试中测试了此复杂实验的许多子部分。此外,该项目还使用了广泛的建模和仿真来塑造设计,评估各种操作和控制策略,生成代码以及分析错误源的影响。在其他工具中,斯坦福大学的设计团队使用了MathWorks的标准版本的Matlab和Simulink。


过冷和超导性对实验至关重要。探头结构的主体SIA容纳在650加仑的杜瓦瓶或保温瓶中,该瓶包含过冷的液态氦,因此将探头保持在1.65K(-271.4°C)(图2)。没有浪费任何东西,因为这种氦的蒸发首先使转子加速,随后为航天器推进器供油。作为被动容器的过冷氦气必须提供两年的适当环境,而无需重新填充。


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