[논문 리뷰] LAGRANGE: LAser GRavitational-wave ANtenna at GEo-lunar Lagrange points

John Conklin, Saps Buchman외 37명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 22.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 36인용 수 13

한 줄 요약

LAGRANGE는 지구-월권 L3, L4, L5 라그랑주 점에 위치한 세 대의 드래그프리 우주선을 활용해 저비용·저위험의 중력파 관측소를 제안한다. 기존에 검증된 기술과 모듈식 설계를 통해 LISA 수준의 감도를 약 50%의 비용으로 달성한다. 단일 관성 기준 센서와 진짜 드래그프리 제어, 컴act한 광학 미터로지, 고대역폭 지속 통신을 위한 고정 안테나를 활용한다.

ABSTRACT

We describe a new space gravitational wave observatory design called LAGRANGE that maintains all important LISA science at about half the cost and with reduced technical risk. It consists of three drag-free spacecraft in the most stable geocentric formation, the Earth-Moon L3, L4, and L5 Lagrange points. Fixed antennas allow continuous contact with the Earth, solving the problem of communications bandwidth and latency. A 70 mm diameter AuPt sphere with a 35 mm gap to its enclosure serves as a single inertial reference per spacecraft, which is operated in "true" drag-free mode (no test mass forcing). This is the core of the Modular Gravitational Reference Sensor whose other advantages are: a simple caging design based on the DISCOS 1972 drag-free mission, an all optical read-out with pm fine and nm coarse sensors, and the extensive technology heritage from the Honeywell gyroscopes, and the DISCOS and Gravity Probe B drag-free sensors. An Interferometric Measurement System, designed with reflective optics and a highly stabilized frequency standard, performs the inter-test mass ranging and requires a single optical bench with one laser per spacecraft. Two 20 cm diameter telescopes per spacecraft, each with in-field pointing, incorporate novel technology developed for advanced optical systems by Lockheed Martin, who also designed the spacecraft based on a multi-flight proven bus structure. Additional technological advancements include the drag-free propulsion, thermal control, charge management systems, and materials. LAGRANGE sub-systems are designed to be scalable and modular, making them interchangeable with those of LISA or other gravitational science missions. We plan to space qualify critical technologies on small and nano satellite flights, with the first launch (UV-LED Sat) in 2013.

연구 동기 및 목표

• 기술적 위험이 낮고 과학적 능력은 유사한 LISA의 비용 효율적인 대안을 개발한다.
• 고정 안테나를 활용한 지속적인 지구 시야 확보를 통해 LISA의 통신 대역폭 및 데이터 지연 문제를 해결한다.
• DISCOS와 그라비티 프로브 B의 유산을 기반으로 한 검증된 케이징 메커니즘을 활용해, 우주선 당 단일 관성 기준 센서로 진짜 드래그프리 작동을 가능하게 한다.
• 단일 광학 벤치와 반사 광학을 통해 고정밀 미터로지 구현으로 경로 길이 오차를 최소화한다.
• 미래 중력파 임무의 확장성과 유연성을 확보하기 위해 발사 검증된 서브시스템을 재사용 가능한 모듈식 설계를 구현한다.

제안 방법

• 지구-월권 L3, L4, L5 라그랑주 점에 동일한 우주선 세 대를 배치해 안정적인 지구 중심 형성 구조를 형성한다.
• 70 mm AuPt 시험 질량, 35 mm 간격, 수동 케이징과 스피닝을 통한 진짜 드래그프리 제어를 구현한 모듈식 중력 기준 센서(MGRS)를 도입한다.
• 반사 광학과 고정밀 캐비티를 활용해 레이저 주파수 안정화 및 간섭계 측정 거리 측정을 실현하며, 5 pm/Hz^1/2의 감도를 달성한다.
• 우주선 당 두 대의 20 cm 광학 망원경을 통합해 현장에서의 조준 기능을 구현함으로써 고대역폭 광학 통신과 경로 길이 오차를 감소시킨다.
• 우주선 당 단일 레이저와 안정화 주파수 기준을 활용해 복잡성을 최소화하고 안정성을 향상시킨다.
• SRI, 로크히드 마틴, LISA 프로브저파더의 유래 기술을 기반으로 한 마이크로뉴턴 퍼터, 전하 관리, 열 제어 시스템을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구-월권 라그랑주 점에 위치한 중력파 관측소가 상당히 낮은 비용과 위험으로 LISA 수준의 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 힘 작용과 검증된 케이징 메커니즘을 활용해 단일 관성 기준 센서로 진짜 드래그프리 제어를 유지할 수 있는가?
• RQ3 DISCOS, GP-B, LISA 프로브저파더의 기술을 유산으로 활용하면 기술적 위험과 개발 비용을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 고정 안테나를 갖춘 지구 중심 궤도 위성 집합에서 달성 가능한 통신 대역폭과 데이터 지연은 어느 정도인가?
• RQ5 지름 0.67 Gm(비교 대비 5 Gm)의 단축된 암 길이와 컴act한 광학 설계는 전체 임무 감도와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• LAGRANGE는 30%의 여유를 포함한 약 $950M(FY12 기준)의 Rough-Order-of-Magnitude(ROM) 비용을 달성하여 기준 LISA 대비 약 50%의 비용 절감을 이룬다.
• 간섭계 측정 시스템(IMS)은 10 mHz 이상의 주파수에서 LISA의 18 pm/Hz^1/2를 초월하는 5 pm/Hz^1/2의 감도를 확보한다.
• 중력 기준 센서(GRS)는 LISA 수준의 성능을 유지하면서도 진짜 드래그프리 작동을 가능하게 하는 3 fm/s²/Hz^1/2의 가속도 노이즈를 달성한다.
• 고정 안테나를 활용한 지속적인 고대역폭 통신 덕분에 LISA의 수일 분량의 데이터 지연이 분 단위로 감소된다.
• 우주선의 5년 수명은 6~12개월 간격으로 1 m/s Δv의 궤도 유지 추진력으로 지원되며, 이 과정 동안 시험 질량은 정지 상태로 유지된다.
• 주요 서브시스템(우주선, 레이저, GRS, 추진계)은 모두 기술 준비도 수준(TRL) 5 이상이며, UV-LED 및 SRI μN 추진계와 같은 핵심 구성 요소는 이미 발사 검증을 통과했다.