本技术方案介绍了一种多层复合结构的温度噪声控制方法,应用于空间科学探测装置的温度噪声管理。该方法通过使用高比热容材料将高温度噪声移出敏感频率范围,并利用低热导率材料降低噪声传播,有效提升了探测装置的性能和稳定性。
背景技术
引力波是时空结构中的涟漪,引力波探测对探索宇宙起源和致密星体都具有重大意义。目前,引力波探测主要基于激光干涉技术,通过探测两束同源激光相位差来探测引力波信号。地面引力波探测存在一定的限制:一方面,目前地面引力波探测器在100Hz以下探测灵敏度很低,而大部分引力波集中在0.1mHz~0.1Hz频段范围;另一方面,地面引力波探测器臂长有限,两路激光相位差非常小,限制了地面引力波探测灵敏度。空间引力波探测能够极大提高干涉仪臂长并规避地面噪声干扰,因此进行空间引力波探测非常必要。
空间引力波探测利用三颗同步卫星架构出干涉仪臂长,通过惯性传感器感知检测质量之间的位置变化,从而探测引力波信号。检测质量周围的温差波动会产生辐射压效应、热形变波动等温度效应,降低惯性传感器探测引力波信号的灵敏度,这些温度效应可以称作温度噪声。温度噪声会对检测质量产生随时间变化的杂散力和力矩,对检测质量产生加速度噪声,从而改变检测质量的运动轨道,掩盖引力波引起的检测质量距离变化,淹没来自引力波的信号,因此抑制温度噪声非常重要。
温度噪声来源于以太阳辐射为主的空间热通量噪声,由于卫星绕地球和太阳不停转动,太阳辐射照射在卫星上具有周期性,产生一定的热流噪声。在引力波探测敏感频段内,太阳辐射的热通量噪声约为5W/(m2
·Hz1/2
),地球和月球也会产生的热通量噪声分别为10-2
W/(m2
·Hz1/2
)和10-5
W/(m2
·Hz1/2
)。空间热流作用在卫星上,通过导热方式在卫星热防护层内传播,根据傅里叶导热定律,温度噪声频率由热源频率决定。研究发现,为保证空间引力波探测的顺利开展,温度噪声应控制在μK/Hz1/2
量级,如何实现空间引力波探测器超低温度噪声环境是亟待解决的问题。
当前,空间航天器所用到的多层材料为反射层(如镀铝聚酰亚胺薄膜)和间隔物(如涤纶网)间隔排列组成,主要是形成高热阻抑制辐射传热,近年来,美国NASA戈达德航天中心将低热导率的气凝胶集成到多层隔热材料,进一步提高隔热性能,当前的空间多层隔热材料目的是将航天器表面200℃到-180℃的恶劣温度环境控制到保证航天器及其仪器设备能够正常工作的温度范围,但是,并不关注小范围内温度波动情况,比如当实现±1K的控温精度时,在±1K的温度范围内温度是直线变化还是波动变化,并不是关注的问题,即并不关注温度噪声的控制问题,但是,在引力波探测过程中的热控需要考虑以上问题。
由于空间探测装置在太空中可利用的资源有限,目前,国内外温度噪声控制均以被动隔热材料抑制为主,比如LISA卫星中采用由一层厚厚的复合聚氨酯材料制成的隔热罩来抑制温度噪声,“太极一号”卫星采用隔热材料降低外部热干扰。研究表明,被动隔热材料的热导率越低、比热容越高,其温度噪声抑制效果越好。因此,空间引力波探测中亟需开发目标频段内同时满足低热导率和高比热容的材料。常用低热导率材料包括气凝胶、复合聚氨酯等,相关研究聚焦于降低隔热材料热导率;常用高比热容材料包括相变材料,相关研究致力于提高相变材料相变潜热。但是,单一热控材料难以同时兼容低热导率和高比热容两种特性。同时,单纯地对低热导率材料和高热容材料进行掺混,会提高复合材料的热导率并降低其比热容,削弱了各原材料的优势。基于上述分析,本发明提出一种利用多层复合结构的温度噪声抑制方法。
实现思路