“最”圆的球用在卫星上1马赫氦气流吹差错仅为千亿分之一度

时间: 2024-12-23 02:51:48 |   作者: 成功案例

  这个球是人类有史以来制作的“最”圆的球体。这个石英球只要乒乓球巨细，外表的弧度差错小于10纳米，现已挨近了原子巨细规范。如果把这个球扩大到地球巨细，那么地球上的高处和低处只是间隔2.4米。这4个球由熔融石英制成，并涂有极薄的铌层。它们这么圆不是为了美观，而是最好能够下降对陀螺仪旋转的影响，因而陀螺仪永久都不或许接触到它们的包容室，而是经过电场悬浮，运用1马赫氦气流旋转，运用SQUID监测超导铌层的磁场来感测它们的旋转轴。

  2004年4月20日美国发射了1颗卫星，叫做重力探测器B，现在现已报废了，用来丈量地球周围的时空曲率，测验广义相对论的两个未经验证的猜测：大地丈量效应和参阅系拖动。经过精确地丈量4个陀螺仪旋转方向的细小改变来完成的，这颗卫星在高度650公里轨迹运转，直接穿过南北极。

  卫星上携带了4个在液氦中旋转的4厘米抛光石英球陀螺仪，图中便是为重力探测器B制作的熔融石英陀螺仪，这是人类有史以来制作的“最”圆球体。至今依然有2个陀螺仪仍就坚持着这一记载，但第3位已被阿伏加德罗项目制作的硅球占有。陀螺仪与球体的厚度相差不超越40个原子。

  造这个卫星时费了老鼻子劲了，尽管有很圆的球体，但仅凭这一点并不能为该试验供给必要的功能。规划师得处理3个规划难题1：怎么将这些转子悬挂在其空腔中而不搅扰其旋转。2：怎么使转子旋转并坚持旋转。3：怎么读出未符号的球体的旋转方向。

  他们经过用三对碟形电极悬浮转子处理了问题1，电场使转子居中至百万分之几厘米，并没有用电力驱动，而是用氦气流以挨近1马赫的速度射向转子，转子大约需求半个小时才能够做到全速，而在腔体的超线年今后它的速度丢失不到该速度的1%。

  但问题3十分有挑战性，规划人员运用超导性作为依据超导量子干与设备的无搅扰指针读数的根底，如下图。当超导体旋转时，它会因伦敦矩（以猜测它的物理学家弗里茨·伦敦命名）而发生磁场。为了读取转子旋转方向，规划人员在转子上涂上了一层超薄的铌层，由于晶格中电子运动的差异，转子发生细小的电场，这种效应即伦敦矩与自转轴居然共同。

  重力探测器B的要害便是这4个陀螺仪，由封装在石英外壳内的固体熔融石英旋转球体组成。4个乒乓球巨细的转子需求严厉的均匀性规范（具有细小密度改变的固有均匀性）以及机械和电气球形度。从机械视点来看，铌涂层转子坐落球体的40个原子层内。这些要求需求新的制作和丈量技能。在轨迹上，转子的旋转是经过在杂乱加工的通道中以挨近音速的速度泵送氦气流过转子来完成的。旋转后，气体被从外壳中抽出构成真空，压力小于轨迹航天器周围的空间。球漂浮在航天器质心的真空腔中，验证质量的作用是遵从抱负的引力轨迹。感测其在空腔中的方位并依据方位改变对卫星进行补偿调整，消除大地丈量效应。

  重力探测器B试验包含4个力矩陀螺仪和一个瞄准飞马座的双星的参阅望远镜。在极地轨迹上，陀螺仪旋转方向也指向飞马座的双星，参阅系拖曳和大地丈量效应以直角呈现，每个陀螺仪都丈量这两者。陀螺仪安装在超流氦杜瓦瓶中，温度坚持在-271 °C，需求挨近肯定零的温度来削减分子搅扰，并使陀螺仪组织的铅和铌部件变得超导。

  为了测验爱因斯坦的广义相对论，重力探测器B要运用漂浮在太空中的旋转陀螺仪丈量2个细小的视点。尽管这个概念相对简略，但进行试验需求一些很精确且杂乱的技能。来自斯坦福大学、洛克希德·马丁公司和 NASA 的科学家和工程师为此发明晰10几种全新技能。

  为了丈量爱因斯坦理论猜测的细小视点，团队制作的4个陀螺仪，其旋转轴每小时违背起点的视点不会超越千亿分之一度。相比之下战机与核潜艇中先进的地基陀螺仪的自转轴漂移比这个卫星的陀螺仪大七个数量级，超越一千万倍。由于重力探测器的陀螺仪转子内部十分平衡和均匀，没有一点轴承或支撑，在只要几个分子的真空中运转。在这个均质的3.81厘米纯熔融石英球体，抛光至几个原子层以内直到彻底润滑。已被吉尼斯世界纪录数据库列为有史以来制作的“最”圆物体，其球形度仅次于中子星。

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