面向宏观旋转物体等效原理空间实验检验的高精度惯性传感技术

Einstein’s general relativity doesn’t predict the violation of equivalence principle by rotating extended bodies. However, other gravitational theories such as the gauge theories of gravitation with torsion predict the effect of the spin-spin coupling. In order to test this violation we suggest a novel space test of this equivalence principle using an inertial sensor combining function of gyroscope and accelerometer. It will take advantage of low-noise space environment to achieve an accuracy of better than 10-15. The proposed satellite test will consist of a differential electrostatic gyro-accelerometer operated at a way of long measurement duration free-fall in Earth’s gravitational field. The measurement will be made by placing two rotors inside the very precise differential gyro-accelerometer in which one rotor is spinning rapidly while another rotor is maintained non-spinning. A difference in the required forces necessary to maintain the common trajectory will indicate the possible existence of spin-gravity interaction between the extended rotating bodies and the gravitation field. We will firstly focus on the error model, noise mechanism and its suppression methods of this satellite-based electrostatic gyro-accelerometer. Several key techniques of this inertial sensor will be explored to solve such issues as precise machining, electrostatic levitation and synchronous driving of the inertial sensor. Finally, for ground environment under strong acceleration of 1g, the instrument design and ground test of a space-borne gyro-accelerometer prototype will be extensively studied to achieve a rotor speed greater than 200rpm and an acceleration noise below 10-7g/Hz1/2. This research work will lay a solid foundation for future space test of new equivalence principle.

广义相对论没有给出宏观旋转物体破坏等效原理的预言，而超越广义相对论的有挠场的新型引力理论预言了这类新效应。本项目所面向的使用陀螺-加速度计检验这类新型等效原理的空间实验具有创新性，预计在卫星上的检验精度优于10-15。实验原理是在卫星上搭载差分静电陀螺-加速度计作为实验仪器，其中一个陀螺转子高速自转，另外一个陀螺转子无自转；基于陀螺转子自转与地球引力的相互作用，若两个自由落体的陀螺转子质心加速度不同，表明可能存在新型相互作用力。本项目拟重点研究空间静电陀螺-加速度计的误差模型、噪声机理及噪声抑制方法，探索陀螺-加速度计的精密制造、高压静电悬浮与转子同步驱动等关键技术；针对1g的地面实验环境，开展超低量程的空间陀螺-加速度计样机设计及测试方法研究，实现转子转速>200 rpm，加速度测量噪声<10-7g/Hz1/2的研究目标，为未来在更高精度上开展新型等效原理空间实验检验提供技术支撑。

新型等效原理实验通过检验宏观物体自转与地球引力相互作用，寻找与宏观物体自旋相关的新型引力。围绕未来在地球卫星上开展新型等效原理空间实验检验的任务需求，本项目完成了三种实验方案设计及检验精度评估；率先开展了作为等效原理核心仪器的差分陀螺‐加速度计设计仿真、关键技术探索与地面实验研究。主要研究成果总结如下：.（1）完成了等效原理空间实验的主要误差机理分析，基于空间实验仪器设计建立了差分加速度检测信号的误差模型；完成了基于无拖曳卫星的实验方案和实验仪器设计，分析结果表明卫星实验精度可达到10^-15；完成了基于空间站内微重力漂浮舱的空间实验方案和实验仪器设计，结果表明实验精度可达到10^-12；完成了基于地面落塔的等效原理验证实验方案和实验仪器设计，评估落塔实验精度可达到7.2×10^-9。.（2）开展了敏感探头的结构设计、建模分析和精密加工工艺研究，成功探索出了敏感探头的精密制造与装配检验工艺；设计了五自由度静电悬浮控制回路及解耦控制算法，研制了基于高速DSP的静电悬浮电路和数字控制软件；针对转子高速旋转需求，设计了三相可变电容式静电电机驱动控制方案和测控电路，提出了一种基于转子角位置的电子换相方法，解决了高速转子易失步问题。.（3）完成了地面实验仪器的总体设计、敏感探头和测控电路的技术设计；研制了一套包括敏感探头及真空腔、高压静电悬浮和静电电机驱动电路的地面实验系统，成功实现了转子的五自由度静电悬浮，初步测试了高压静电悬浮系统的性能；利用提出的静电电机电子换相方法实现了高真空下转子高速同步驱动，验证了静电电机驱动方案的可行性。. 本项目给出了基于地面落塔、空间站漂浮舱、无拖曳卫星开展新型等效原理实验的路线图及可达到的检验精度；通过陀螺-加速度计关键技术探索，成功研制了一套地面实验系统，实验验证了陀螺-加速度计总体技术方案的可行性，为未来高精度的新型等效原理空间实验检验打下坚实的技术基础。