[论文解读] LAGRANGE: LAser GRavitational-wave ANtenna at GEo-lunar Lagrange points

John Conklin, Saps Buchman+37 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 36被引用 13

一句话总结

LAGRANGE 提出了一种低成本、低风险的引力波探测器，利用三颗处于地月L3、L4和L5拉格朗日点的拖曳自由航天器，采用成熟技术和模块化设计，在约LISA一半的成本下实现类似灵敏度。该系统采用单惯性参考传感器实现真正的拖曳自由控制，结合紧凑型光学计量系统和通过固定天线实现的连续高带宽通信。

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.

研究动机与目标

• 开发一种成本更低、技术风险更小且科学能力相当的LISA替代方案。
• 通过使用固定天线实现持续地月视线通信，解决LISA在通信带宽和数据延迟方面的挑战。
• 通过借鉴DISCOS和重力探测器B的成熟技术，利用每颗航天器仅一个惯性参考传感器实现真正的拖曳自由运行。
• 通过单个光学基板和反射式光学元件实现高精度计量，最大限度减少光程误差。
• 通过复用飞行合格的子系统，实现未来引力波任务的可扩展性和模块化。

提出的方法

• 将三颗相同的航天器部署于地月L3、L4和L5拉格朗日点，形成稳定的地心构型。
• 采用模块化引力参考传感器（MGRS），包含70 mm的AuPt试验质量、35 mm间隙，并通过被动约束和旋转提升实现真正的拖曳自由控制。
• 利用反射式光学元件和高精细度腔体实现激光频率稳定和干涉测距，灵敏度达5 pm/Hz^1/2。
• 每颗航天器集成两台20 cm望远镜，具备在轨指向能力，实现高带宽光学通信并减少光程误差。
• 每颗航天器使用单台激光器和稳定频率标准，以最小化复杂度并提升稳定性。
• 采用微牛推力器、电荷管理及热控系统，其设计基于SRI、洛克希德马丁公司和LISA路径探测器的飞行验证技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地月拉格朗日点部署的引力波探测器能否以显著降低的成本和风险实现与LISA相当的灵敏度？
• RQ2 如何仅使用一个惯性参考传感器，通过最小化作用力和成熟的约束机制，实现真正的拖曳自由控制？
• RQ3 DISCOS、GP-B和LISA路径探测器的遗产技术能在多大程度上降低技术风险和开发成本？
• RQ4 采用固定天线的地心星座可实现的通信带宽和数据延迟是多少？
• RQ5 较短的臂长（0.67 Gm vs. 5 Gm）和紧凑型光学设计对整体任务灵敏度和稳定性有何影响？

主要发现

• LAGRANGE的粗略数量级（ROM）成本为9.5亿美元（FY12），包含30%余量，相比基线LISA降低了约50%。
• 干涉测量系统（IMS）实现5 pm/Hz^1/2的灵敏度，高于LISA在10 mHz以上频率的18 pm/Hz^1/2。
• 引力参考传感器（GRS）实现3 fm/s²/Hz^1/2的加速度噪声，与LISA性能相当，同时实现真正的拖曳自由控制。
• 通过固定天线实现连续高带宽通信，将数据延迟从LISA的数天缩短至数分钟。
• 任务寿命5年，通过每6–12个月进行1 m/s的Δv轨道保持维持，机动期间将试验质量停转。
• 所有主要子系统（航天器、激光器、GRS、推进器）均达到技术成熟度（TRL）5级或以上，关键部件如紫外LED和SRI微牛推力器已通过飞行验证。