高精度空间静电加速度计是卫星重力测量、空间引力实验、空间引力波探测的核心技术之一，其显著特点是灵敏度高，并能够实现六个自由度的同时测量，目前已经在许多领域得到广泛应用[1]．重力测量对空间科学、基础测绘与地球科学等至关重要．空间静电加速度计是卫星重力测量不可或缺的核心技术，其主要用于测量航天器受到的大气阻力、太阳光压等非保守力效应，有助于获取高精度的全球重力场．在重力梯度测量卫星中，由空间加速度计组成的静电重力梯度仪，除了测量地球重力场的梯度效应外，其共模加速度信号还提供给卫星无拖曳控制系统对卫星进行精密控制[2]．早在1970年代，欧美国家已经开始研究和发展空间加速度计．在卫星重力测量领域，欧美已经研制并成功发射了三种不同测量模式的重力测量卫星．2000年7月发射了采用高低跟踪模式的CHAMP(CHAllenging Mini Satellite Payload)卫星[3-4]．2002年3月发射了采用低低卫卫跟踪模式的GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星[5-6]．2009年3月发射了采用重力梯度测量模式的GOCE(Gravity Field and Steady-state Ocean Circulation Explorer)卫星[7-8]．2018年5月又发射了“GRACE Follow On”卫星[9]，期待持续获取高精度的全球重力场信息．目前欧美在卫星重力测量方面已取得重要的成果．国外已发射的四次重力卫星所搭载的静电加速度计均由法国航空航天研究中心ONERA(Office National d' Etudes et de Recherches Aérospatiale)研制，其中GRACE卫星搭载的加速度计的在轨分辨率达到了3×10-10 m·s-2·Hz-1/2，GOCE重力梯度卫星搭载的加速度计在轨评估分辨率为3×10-12~6×10-12 m·s-2·Hz-1/2[10]．高精度的空间静电加速度计，由于其极高的性能稳定性和极低的扰动力噪声，是空间引力实验和引力波探测中的非常理想的惯性参考．近几十年来，静电加速度计及相关技术还应用于广义相对论检验、等效原理检验、引力波探测等空间基础科学研究．美国宇航局NASA承担的引力探针GP-B(Gravity Probe-B)计划[11]，旨在通过实验检验广义相对论，利用高精度陀螺仪精确测量广义相对论预言的两个效应：短程线效应(Geodetic effect)和坐标系拖曳效应(Frame-dragging effect)．法国ONERA 提出MICROSCOPE (MICROSatellite pour 1' Observation du Principe d' Equivalence)卫星计划对等效原理进行验证，采用高精度空间加速度计SAGE(Space Accelerometer for Gravitational Experimentation)检测不同组成成份Pt和Ti的检验质量在地球引力场中下落加速度的差异[12]．对于空间引力波探测而言，静电加速度计的检验质量作为惯性参考，通过激光干涉测量相距百万公里量级的测地线运动的检验质量之间的相对位置变化，来验证引力波引起的时空动态效应；同时，静电加速度计还作为航天器的无拖曳控制的参考，辅助航天器姿态与轨道的精密控制，为引力波探测提供必要的超静环境保障．欧洲和美国合作的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)空间引力波探测计划[13]，其对检验质量残余扰动加速度要求小于3×10-15 m·s-2·Hz-1/2．我国科学家也提出了中国自主的空间引力波探测计划，2014年，华中科技大学罗俊院士团队提出天琴(TianQin)计划，以地球轨道10万公里高度的三颗卫星，组成边长约17万公里等边三角形编队[14-15]，如图1所示，其对检验质量的残余加速度噪声需求达到1×10-15 m·s-2·Hz-1/2．中国科学院团队也提出了和LISA类似的太阳轨道的太极(TaiJi)计划，其对检验质量残余扰动要求也达到10-15 m·s-2·Hz-1/2量级[16]．10.13245/j.hust.220915.F001图1天琴计划示意图静电加速度计在卫星重力测量和空间引力实验等领域都拥有广泛用途，然而欧美发达国家将相应研制技术对中国实施技术封锁．为了发展国内的高精度空间测量应用，我国也开始对这类静电加速度计开展自主研发．这里主要介绍空间静电加速度计的关键技术研究及应用，并综述华中科技大学引力中心团队在相关技术研发的成果，以及针对未来引力波探测需求的惯性传感器研制开展的一些工作．1 基本原理空间静电加速度计主要由机械敏感探头部分和传感控制电路部分组成．机械敏感探头主要由检验质量(test mass，TM)和其周围的电容极板组成，图2给出了电容极板和检验质量示意图．静电加速度计的电容极板与仪器框架(即航天器本身)固连在一起，检验质量与框架之间除了有一根柔软导电金属丝连接之外，没有其他机械连接．10.13245/j.hust.220915.F002图2空间静电加速度计探头简图图3给出静电加速度计单轴的工作原理示意图，图中：C，V，F和X分别表示电容、电压、反馈力和位移；Vp和Vb分别表示交流电压和直流电压．当检验质量与电容极板由于扰动加速度影响发生相对位移时，加速度计通过电容传感测量位移变化大小，再经过反馈控制与驱动电路给电容极板施加反馈电压，产生的静电作用力使检验质量与极板框架保持相对静止，反馈电压的大小可以反映扰动加速度大小．利用该敏感探头及其电路系统，空间静电加速度计可以同时测量航天器受到的非保守力在6个敏感方向(3个平动自由度和3个转动自由度)上引起的加速度[17]．10.13245/j.hust.220915.F003图3单轴空间静电加速度计原理示意图空间静电加速度计在轨工作时，与航天器(S/C)固连，其在轨工作模式主要有惯性参考模式和加速度计模式．设Fnc，Fe和Ft分别表示非保守力，静电力和微推进器的推力．如图4(a)所示为惯性参考模式，检验质量作为惯性参考体，当航天器受到非保守力扰动，推进器根据静电加速度计测量检验质量与航天器之间的位移变化，给航天器施加补偿推力，使航天器跟随惯性参考体检验质量运动，从而使航天器接近测地线运动．如图4(b)所示为加速度计模式，当航天器受到非保守力扰动，静电加速度计测量检验质量与航天器之间的位移变化，静电加速度计通过给检验质量施加的静电力，使检验质量跟随航天器运动，此时静电加速度计测量非保守力引起的加速度大小[18-19]．10.13245/j.hust.220915.F004图4空间静电加速度计工作模式示意图2 关键技术2.1　敏感探头精密加工高精度静电加速度计的性能与敏感探测结构的参数密切相关，电容极板间距、极板面积、检验质量、电容极板的平面度、平行度/垂直度等误差是影响加速度计性能的重要参数，须在设计、加工、装配过程中严格保障其精度．根据加速度计系统误差分配，确定敏感探测结构的加工精度要求，主要包括平面度、平行度/垂直度等指标，要求检验质量的6个表面、电容极板框架的16块电容极板面的平面度优于5 μm，平面之间的平行度和垂直度优于20″；同时，由于检验质量完全悬浮在电容极板框架中间，必须保障航天器发射过程中不损伤检验质量或电容极板，因此敏感探头的高精度加工和抗冲击振动设计是该类型加速度计研制的核心，也是其最重要的关键技术之一．华中科技大学引力中心团队经过十多年探索，克服了一系列困难，重点解决了微晶玻璃(脆性材料)、钛合金等检验质量块的高精度、高可靠加工工艺，建立了超声波加工、异型结构研磨、磁控溅射镀膜、精装、精测等成套工艺，最终掌握了具有自主知识产权的空间静电加速度计敏感探测结构研制与装配的完整工艺，建立了一系列企业标准，确定了该加速度计工程化研制的基本保障体系．研制出的敏感探头不仅平面度、平行度等满足要求，并且通过了振动、热真空、热循环等苛刻的空间环境模拟试验，满足了我国卫星重力测量应用的需求．2.2　空间加速度计电路研制空间静电加速度计电路研制的核心技术是高精度的位移传感检测电路和高效可靠的反馈控制电路．电容传感检测电路的性能直接影响整个加速度计的测量精度，测量方法主要有共振式、振荡器式、桥式和充放电式[20]．反馈控制电路研制的核心任务有两个：一是需要低噪声的电压输出和电压读取电路；二是高可靠性的反馈控制算法设计．电路噪声是限制静电加速度计测量精度的内部噪声主要来源，因此电路研制尤为关键．华中科技大学引力中心团队建立了基于嵌入式模型(EMC)方法的加速度计仿真软件与半实物测量评估系统，深入研究了六自由度传感检测、静电反馈控制及其相互耦合关系，为加速度计六自由度传感与控制的硬件实现及其控制参数优化提供理论支撑[21]；同时，进一步提出在线匹配传感电路桥路调谐的新方法，采用在线扫频测量电路的最佳工作频率点，并利用数字合成和调节技术实现了最高信噪比的高精度电容谐振匹配，提高了电容位移传感分辨率，最终研发出了低功耗、低噪声电容位移传感器，0.03 Hz处电容分辨率达到了1.6×10-19 F/Hz1/2，对应位移分辨率优于4 pm/Hz1/2[22-23]．静电加速度计应用于空间环境中，对电路设计与研制而言，空间辐照环境对电路可靠性是一个挑战．项目组在天琴一号的仪器设计中采用基于三模冗余结构的自刷新设计的抗辐照设计，在轨性能验证良好．在重力卫星的静电加速度计中，直接采用抗辐照设计的电子元器件，如反熔丝FPGA．2.3　地面性能测试在地面上由于重力加速度的影响，静电加速度计难以直接工作．然而，由于在轨环境扰动等不可控干扰，静电加速度计的性能在轨难以直接验证；因此，静电加速度计的性能测试，主要靠地面实验测试来评估．地面性能测试技术是高精度加速度计的关键技术之一．地面性能测试主要有扭摆悬挂测试方案、高压悬浮测试方案和自由落体测试方案．由于地面附近的自由落体时间通常小于5 s，自由落体方案能检测静电加速度计的整机功能，但难以长时间测试其性能[24]．2.3.1　高压悬浮测试高压悬浮方案是通过在静电加速度计竖直方向的电容极板上施加近千伏高压，产生的静电力来平衡检验质量受到的重力，实现竖直自由度、倾斜和俯仰自由度的控制，并在此基础上实现6个自由度同时控制．该方案中主要对加速度计水平自由度的性能进行测试与评估，可以对加速度计的控制性能、耦合效应等开展测试，但高压悬浮测试容易受测试环境影响．此外，高压悬浮相关技术还可以应用于精度需求较低的机载或舰载静电加速度计．华中科技引力中心团队在静电加速度计研制初期开始高压悬浮测试技术研究，早期的测试水平受限地面振动噪声，达到10-8 m·s-2·Hz-1/2量级水平[25]．为了进一步提高静电加速度计的高压悬浮测试水平，须要对地面振动噪声进行有效抑制，团队研制了多种类型的振动隔离平台[26-31]．利用平动-倾斜补偿原理的被动型振动隔离摆台(如图5所示)，能够有效隔离0.1 Hz以下的低频地面振动噪声，静电加速度计的测试水平也达到了10-9 m·s-2·Hz-1/2量级[27-29]．基于反馈控制的主动隔振摆台[30]，通过四线摆平台结合音圈驱动器反馈补偿的方案(如图6所示)，能够有效抑制0.03 Hz以上的地面振动噪声影响，使摆台上的地面振动噪声抑制到10-9 m·s-2·Hz-1/2量级[30]，有效提高静电加速度计高压悬浮测试水平．10.13245/j.hust.220915.F005图5基于平动-倾斜补偿原理的隔振摆台测试原理图[27]10.13245/j.hust.220915.F006图6主动隔振摆台原理图[30-31]高压悬浮方案可以使静电加速度计在地面实现六自由度控制，是对静电加速度计的工程样机进行长期性能测试验证研究的最佳方案．由于地脉动噪声和竖直方向高压耦合的影响，该方案难以对惯性传感器的分辨率进行有效测试和验证．2.3.2　扭摆悬挂测试扭摆悬挂测试方案的基本思想是利用一根很细的悬丝平衡惯性传感器中检验质量所受到的重力，这样检验质量可以以扭摆或者单摆的方式运动，如果让这种扭摆或者单摆的刚度足够小，悬挂起来的检验质量的运动形式与在轨正常工作的静电加速度计中的检验质量相同，因此可以采用这种方法对静电加速度计的部分自由度进行长时间测试[24,32]．为了在地面上充分验证静电加速度计的各项性能，华中科技大学引力中心团队研制了多种扭摆悬挂测试实验装置，如图7~9所示，图中：X，Y，Z表示检验质量3个正交的平动自由度；RX表示绕X轴的转动．单级扭摆、单级扭秤和二级扭摆分别验证不同自由度的性能以及两个自由度之间的耦合等效应[24,32-33]．10.13245/j.hust.220915.F007图7单级扭摆悬挂测试方案[23]10.13245/j.hust.220915.F008图8单级扭秤悬挂测试方案[23]10.13245/j.hust.220915.F009图9二级扭摆测试方案[23]基于静电控制的二级扭摆测试装置，在能够提供两个高灵敏测试自由度的同时，还能够有效抑制0.01 Hz以下低频地面振动噪声对测试的影响约2~3个数量级[32,34]．对于更高精度的静电加速度计，须进一步提高测试系统对地面振动的抑制效果．项目组在二级扭摆测试基础上又提出了悬挂极板的测试方案，通过分别用两套扭摆装置同时悬挂加速度计的检验质量和极板框架，使两者对地面振动的响应一致，从而能够共模抑制，达到进一步抑制地面振动的效果[35-36]．悬挂极板的二级扭摆测试实验装置如图10所示，检验质量采用二级扭摆结构悬挂，而极板框架则用四线摆结构进行悬挂．通过调节悬挂极板的悬线长度使两套摆对地面振动的响应接近一致．实验结果如图11所示，其中：黑色曲线为极板悬挂方案的测试结果；红色曲线为极板固定方案的测试结果．可以看出通过悬挂极板方案，能够进一步提高地面测试水平约一个数量级，达到约2×10-11 m·s-2·Hz-1/2的水平[36]．10.13245/j.hust.220915.F010图10悬挂极板的二级扭摆测试方案[36]10.13245/j.hust.220915.F011图11极板悬挂与极板固定的测试结果对比[36]3 空间应用静电加速度计研制的目标是实现应用，积累有效的科学数据．华中科技大学引力中心团队所研制的静电加速度计已先后四次进行在轨飞行测试验证．2013年，基于我国“试验五号”空间科学技术试验卫星的条件，团队研制出了分辨率为3×10-8 m·s-2·Hz-1/2(1×10-3~0.1 Hz)的静电加速度计飞行产品，并于2013年11月25日随卫星发射，成功进行了三年多的在轨测试实验，圆满地完成了预期任务，达到了预期目标，这也是我国该类型加速度计的首次空间飞行实验[37-39]．2017年4月，研究团队研制的分辨率设计达到3×10-10 m·s-2·Hz-1/2的静电加速度计作为非牛顿引力实验检验的关键技术验证装置，随“天舟一号(TZ-1)”货运飞船成功进行了空间飞行试验，首次验证了该量级的静电加速度计研制技术，并对货运飞船及其与天宫二号空间实验室组合体的在轨微重力水平进行了高精度测量，对我国空间站设计提供了参考[39]．在轨飞行期间，该加速度计与中科院空间应用工程与技术中心研制的主动隔振装置联合开展了加速度计与隔振装置浮子组合体的短时间自由漂移等实验，获得了很多有价值的结果，为我国微重力隔振技术及其应用研究提供了极其重要的数据[39]．“天琴一号(TQ-1)”卫星是我国自主提出的空间引力波探测“天琴计划”的首颗技术验证试验卫星，于2019年12月20日在太原卫星发射中心成功发射升空[40-41]．“天琴一号”卫星搭载的空间惯性传感器设计分辨率达到10-12 m·s-2·Hz-1/2量级，满足了高精度空间惯性基准的测量与评估需求．通过在轨测试验证，惯性传感器实现了10-11 m·s-2·Hz-1/2数量级的扰动加速度在轨测量水平，如图12所示[40]．10.13245/j.hust.220915.F012图12惯性传感器在轨测量TQ-1卫星安静时段的噪声谱[40]“天琴一号”卫星对高精度空间惯性传感器技术、无拖曳控制技术、高精度激光干涉测量技术、微牛级连续可变微推进等多项空间引力波探测关键技术进行了在轨验证．团队提出基于空间惯性传感器、微推力器与无拖曳控制一体化的空间惯性基准体系的概念设计与理论方法，建立了航天器惯性测量、无拖曳控制的模型，给出了空间惯性基准体系的评估方法，并成功进行了在轨验证．华中科技大学引力中心团队所研制的静电加速度计作为核心载荷应用于我国“天绘-4”卫星，并于2021年12月29日成功发射入轨．在“天绘-4”和“天琴一号”卫星中，高精度静电加速度计作为卫星的关键测量仪器，对卫星平台的姿态控制、噪声控制等平台环境有非常高的要求，以实现对待测信号的精确测量．因此，加速度计须要尽可能安装在卫星的质心，降低卫星由转动引起的干扰加速度信号，同时，卫星上尽可能减少能够引起卫星振动的设备．“天琴一号”卫星对加速度计质心安装偏差需求优于0.1 mm，卫星姿态控制稳定度水平优于1 mrad/s，姿控方式采用冷气推进与磁控相结合，摒弃振动较大的动量轮，以实现良好的卫星平台环境．4 总结与展望空间静电加速度计作为空间探测与技术应用的重要载荷之一，在未来的航天领域将发挥越来越重要的作用．华中科技大学引力中心团队致力于自主研制空间静电加速度计，自2000年开始经过二十多年发展，从理论机理、关键技术、研制工艺、测试与标定等方面开展了系统研究，解决了空间静电加速度计全部技术，分别研制了原理样机、工程样机、最终研发出了具有自主知识产权的、不同测量精度的空间静电加速度计系列飞行产品．静电加速度计的关键技术还可以应用于空间精密实验的惯性传感器设计中．面向空间引力波探测计划，惯性传感器的分辨率需求达到10-15 m·s-2·Hz-1/2量级．研究团队将深入开展更高精度惯性传感器的技术攻关与研制，包括精密敏感探头研制、高精度电容位移传感技术、交流反馈控制技术、电势测量与电荷管理技术，以及高精度地面测试技术等研究[41-42]．在电势测量研究方面，团队建立了带扫描探针的静电控制扭摆装置，实现对导体表面电势随时间的涨落变化和空间分布的测量，电势测量分辨率可达15 μV/Hz1/2，在0.1 mm的空间分辨尺度上，对应的电势测量精度约为330 μV[43-44]．在电荷管理技术研究方面，团队依据空间惯性传感器的电荷管理需求设计了基于紫外放电技术的电荷管理系统并基于扭摆进行了验证[45]，并且实现了mV级的电荷测量精度以及mV/s级的电荷控制能力[46-47]．空间静电加速度计关键技术不仅适用于空间引力波探测计划，还将满足其他基础科学空间实验对航天技术的发展需求，将为开展下一代卫星重力测量、深空探测、基础科学实验等提供重大技术储备．