物理学院乔从丰课题组在微推力测量研究中取得突破
王慧
微电子技术的快速发展、微纳米材料的广泛应用和计算机技术的进步，为微小卫星系统设计制造提供了技术支撑，微小卫星大量应用于近地空间探测和深空探测，例如空间引力波探测任务，包括太极计划、天琴计划和激光干涉空间天线（LISA），均采用微小卫星星座执行探测任务；国内外商业公司发射微小卫星实现互联网连接等功能，包括中国“星网”和美国Space X公司的“星链”计划。微小卫星应用推动了太空探索的发展，也使得太空活动成为一个巨大的产业。
微推进器是微小卫星的空间动力源，微推进器性能直接决定了卫星工作性能及使用寿命。评价微推进器性能的核心是测量推进器的推力范围、分辨率和响应时间。空间引力波探测任务对微推进器的要求是能够产生0-100微牛的推力，分辨率要达到0.1微牛。由于地面上存在众多噪声源，如空气流动、温度变化及地面振动等影响，微牛级推力的精确测量面临挑战。
乔从丰课题组研制出了适用于微牛级推力测量的扭摆，测力测量范围1微牛~1毫牛，静态分辨率0.1微牛，并分析和解耦了温度噪声对扭摆的影响（原文，https://doi.org/10.3390/sym13081357）。扭摆标定需要稳定且宽范围的标准力源，乔从丰提出了环形静电梳（Electrostatic Lantern Rings），由于环形结构的对称性，使得径向的静电力被平衡，主要产生轴向静电力，推力范围达到0-2.25毫牛。与标准力源传统静电梳相比，环形静电梳校准力源更稳定、推力范围更广，推力范围超过原先的2倍，推力稳定性提高了2个数量级，有助于进一步提升扭摆标定的精度及测力范围。
环形静电梳已授权国家专利，专利号：CN202120098785.6。该研究成果以“Micro-Newton Thrust Stand Calibration Using Electrostatic Lantern Rings”为题发表在科技期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》上（原文，https://ieeexplore.ieee.org/document/10026828），作者为国科大在读研究生穆建超，特别研究助理丛麟骁博士，国科大在读研究生胡其炜，通讯作者为乔从丰教授。以上工作得到中国科学院大学太极实验室、真空物理重点实验室和中国科学院重大仪器设备专项等资助，同时也是国科大“太极实验室”成立以来取得的标志性成果之一。
图1：微牛级扭摆俯视图
图2：环形静电梳模型截面图
图3：不同偏转角下静电力随电压的变化情况
