CN104898174B - 纯引力轨道验证质量的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纯引力轨道验证质量的制备方法，采用金铱合金作为纯引力轨道验证质量的材料，在相同的配比精度下，金铱合金的磁化率为金铂合金的磁化率的24.85％，从而大大降低对合金的配比精度要求，有利于实现极低的合金磁化率，降低验证质量受到的电磁干扰，提高空间纯引力轨道构造水平。另一方面，在满足相同磁化率指标要求时，金铱合金中金允许的配比范围是金铂合金中金允许的配比范围的3～4倍，从而方便制备得到满足磁化率指标要求的金铱合金。

Description

纯引力轨道验证质量的制备方法

技术领域

本发明属于空间引力探测技术领域，具体涉及一种纯引力轨道验证质量的制备方法。

背景技术

近年来，空间引力探测研究发展迅速，空间引力探测在精密测量、惯性传感、激光干涉测量、超静超稳结构等方面，对卫星平台和载荷技术提出了前所未有的指标需求，极大地带动了相关工程技术的进步，成为国际航天技术发展的前沿领域之一。

空间引力探测具有重大的科学意义，涉及卫星重力测量以及与广义相对论验证有关的引力波探测、等效原理检验、短程线效应和坐标系拖曳效应验证等诸多方面。其中，卫星重力测量极大地改善了现有重力场模型的精度和分辨率，推动了地球物理学、空间物理学等学科的发展，特别是促成了相关学科在研究方法和分析手段上的革命式进步。而引力波探测、等效原理检验、短程线效应和坐标系拖曳效应验证等空间基础物理实验，以地面难以实现的精度验证广义相对论的基本假设，极有可能引起现代物理理论的深刻变革，改变人们对物理世界的认识。因此，空间引力探测不仅会带动航天技术的飞跃，也会促使现代物理理论的重大发展，极具研究价值。

空间引力探测任务的关键在于构造出纯引力轨道，通过获取并分析纯引力轨道的动力学特征，实现重力场测量和广义相对论验证等目的。在物理实现上，纯引力轨道通常通过以下方式构造：在一个大的卫星腔体内部放置一个自由飞行的验证质量，其中验证质量是高密度、高导热性、低磁化率的质量块。具有腔体的外卫星屏蔽了大气阻力、太阳光压等外部扰动对验证质量的影响，并通过严格抑制验证质量在腔体内部受到的其他非引力干扰，可认为验证质量仅受地球引力的作用，即：验证质量运行的轨道为纯引力轨道，验证质量沿纯引力轨道运行，实现空间引力探测。如内编队系统由外卫星和内卫星组成，内卫星作为验证质量，在外卫星腔体中沿纯引力轨道飞行。

在纯引力轨道设计中，验证质量所受到的非引力干扰的抑制程度，决定了纯引力轨道的构造水平。验证质量所受到的非引力干扰主要包括：屏蔽航天器产生的万有引力、辐射计效应、热辐射压力以及电磁干扰等。经分析可知，电磁干扰是纯引力轨道验证质量受到的重要非引力干扰，降低验证质量磁化率是降低其所受到的电磁干扰的主要方法。

现有技术中，通常采用金铂合金作为验证质量的材料。例如，国际上第一个空间引力波探测项目LISA和引力探测任务GP-B所采用的验证质量，均采用了金铂合金材料。其中，金是抗磁性物质，铂是顺磁性物质，通过适当的合金配比实现低磁化率目标。

然而，发明人在研究过程中发现，采用金铂合金作为验证质量时，由于铂磁化率绝对量约是金的6倍，这意味着金铂合金磁化率对其配比非常敏感，为使磁化率低于某一指标，允许的金铂配比范围很小。当要求的磁化率低到一定程度时，由于配比误差的存在，满足要求的合金配比甚至是无法实现的。因此，采用金铂合金作为验证质量材料，不利于极低合金磁化率的实现。

所以，如何使验证质量具有极低的磁化率，从而降低验证质量受到的电磁干扰，提高空间纯引力轨道构造水平，是当前迫切需要解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种纯引力轨道验证质量的制备方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种纯引力轨道验证质量的制备方法，纯引力轨道验证质量为金铱合金，纯引力轨道验证质量的制备方法包括以下步骤：

步骤1，确定需要作为纯引力轨道验证质量的金铱合金的体积磁化率指标要求χ_req,Au-Ir，单位为1；

步骤2，利用下式计算金铱合金中金体积百分比的下限v_Au,lower：

其中，χ_req,Au-Ir是所确定的金铱合金体积磁化率指标，单位为1；χ_0,Au是金的比磁化率，单位为cm³/g；χ_0,Ir是铱的比磁化率，单位为cm³/g；ρ_Au是金的密度，单位为g/cm³；ρ_Ir是铱的密度，单位为g/cm³；

步骤3，利用下式计算金铱合金中金体积百分比的上限v_Au,upper：

步骤4，确定金铱合金中金和铱的体积百分比可选范围，即：金铱合金中金体积百分比v_Au的可取范围为v_Au,lower<v_Au<v_Au,upper，金铱合金中铱体积百分比的可取范围为1-v_Au；

步骤5，按照步骤4所确定的金和铱的体积百分比可选范围，制备得到最终的金铱合金。

优选的，对于所述金铱合金，将金占金铱合金的体积比记为v_Au；对于金铂合金，将金占金铂合金的体积比记为v’_Au；则当v_Au和v’_Au在配比精度内为同样的配比时，金铱合金的磁化率为金铂合金的磁化率的24.85％。

优选的，在满足相同磁化率指标要求时，所述金铱合金中金允许的配比范围是金铂合金中金允许的配比范围的3～4倍。

本发明提供的纯引力轨道验证质量的制备方法具有以下优点：

采用金铱合金作为纯引力轨道验证质量的材料，与目前国际引力探测任务通常所采用的金铂合金相比，一方面，在相同的配比精度下可以实现更低的合金磁化率，即：在相同的配比精度下，金铱合金的磁化率为金铂合金的磁化率的24.85％，从而有利于提高纯引力轨道构造水平和空间引力探测能力；另一方面，在满足相同磁化率指标要求时，金铱合金中金允许的配比范围是金铂合金中金允许的配比范围的3～4倍，也就是说，金铱合金磁化率对其配比并不敏感，当磁化率低于某一指标时，允许的金铱配比范围较大，从而方便制备得到满足磁化率指标要求的金铱合金。

附图说明

图1为金铂合金的体积磁化率曲线图；

图2为为金铱合金的体积磁化率曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种纯引力轨道验证质量及其制备方法，采用金铱合金作为纯引力轨道验证质量的材料，从而大大降低对合金的配比精度要求，有利于实现极低的合金磁化率，降低验证质量受到的电磁干扰，提高空间纯引力轨道构造水平。

发明人的研究过程为：

目前，在国际空间引力探测任务中，降低验证质量磁化率的通用措施是采用金铂合金材料，这是因为金是抗磁性物质，铂是顺磁性物质，这两种材料按照一定的比例混合，可以使金铂合金的磁化率接近0。由于金和铂的磁化率绝对值相差较大，为达到较低的合金磁化率，允许的金铂配比范围较小。而本发明人在研究过程中发现，铱也是顺磁性物质，并且和金的磁化率绝对值非常接近，意味着金铱的配比范围较宽，易于实现更低的合金磁化率。另外，金、铂、铱的物性参数如表1所示，从表1可以看出，金铱合金同样满足重力卫星任务对验证质量的高密度、高导热率要求。

表1金、铂、铱的物性参数

根据定义可知，体积为V的物体在磁场强度H作用下产生的诱导磁矩M为

M＝χ₀VHρ (1)

其中，ρ为物体密度，χ₀是比磁化率，即单位质量的物体在单位磁场强度作用下的磁化强度，单位为m³/kg。

根据定义可知，金铂合金的比磁化率χ_0,alloy为

金铂合金的体积磁化率χ_Au-Pt(单位为1)为

同理，得到金铱合金的体积磁化率χ_Au-Ir(单位为1)为

其中，下标Au、Pt、Ir、Au-Pt、Au-Ir分别代表金、铂、铱、金铂合金、金铱合金。

分别在不同的配比下，计算金铂合金和金铱合金的体积磁化率，结果如图1和图2所示；其中，图1为金铂合金的体积磁化率曲线图；图2为金铱合金的体积磁化率曲线图。

观察图1和图2可知，如果要求验证质量的体积磁化率低于10^-6，则对于金铂合金而言，要求金的体积含量位于84％～92％之间，配比区间较小；对于金铱合金而言，要求金的体积含量位于34％～67％之间，配比区间较大。因此，选择金铱合金比金铂合金更有利于实现合金磁化率的降低。

根据公式(3)，得到金铂合金磁化率为0时的金和铂体积百分比分别为：

其中，P_Au为金体积百分比；P_Pt为铂体积百分比；

根据公式(4)，得到金铱合金磁化率为0时的金和铱体积百分比分别为

其中，P_Au为金体积百分比；P_Ir为铱体积百分比；

实际上，加工过程中不可能严格按照公式(5)和(6)进行配比，也就是得到合金磁化率为0是很难实现的。设合金体积配比误差为δP，则金铂合金和金铱合金能够达到最低磁化率时的实际配比分别是：

其中，为金实际体积百分比；为铂实际体积百分比；

其中，为金实际体积百分比；为铱实际体积百分比；

按照公式(7)和(8)的体积配比，利用公式(3)和(4)得到金铂合金能够实现的最低磁化率金铱合金能够实现的最低磁化率为

从而

公式11意味着在同样的配比精度下，金铱合金的磁化率可以降低到金铂合金的24.85％，从而可以极大地降低验证质量电磁干扰力。

对于金铱合金，设任务要求的合金体积磁化率绝对值低于χ_req,Au-Ir>0(单位为1)，金的体积比为v_Au，铱的体积比为v_Ir，则

±χ_req,Au-Ir＝χ_0,Auρ_Auv_Au+χ_0,Irρ_Irv_Ir

v_Au+v_Ir＝1 (12)

由此，得到满足任务要求的金铱合金的体积配比为

或

(13)和(14)式分别给出了满足体积磁化率指标要求的合金配比上下限。分析可知

因而，(13)式给出了满足体积磁化率要求的金体积比的下限，(14)式给出了满足体积磁化率要求的金体积比的上限。根据(13)和(14)式，分别在合金体积磁化率要求为10^-6、10^-7、10^-8、10^-9的条件下，计算对金的体积百分比的要求。作为对比，在相同的条件下，计算金铂合金对金的体积百分比要求，结果如表2所示。

表2满足体积磁化率要求的合金中金体积百分比区间

从表2可以看出，在相同磁化率指标要求下，金铱合金允许的配比范围是金铂合金的3～4倍，更容易满足合金磁化率要求。这说明，与金铂合金相比，金铱合金易于实现更低的合金磁化率，从而有利于降低纯引力轨道验证质量电磁干扰，提高空间纯引力轨道构造水平。

另外，本发明还提供了一种纯引力轨道验证质量的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，确定需要作为纯引力轨道验证质量的金铱合金的体积磁化率指标要求χ_req,Au-Ir，单位为1；

步骤2，利用下式计算金铱合金中金体积百分比的下限v_Au,lower：

其中，χ_req,Au-Ir是所确定的金铱合金体积磁化率指标，单位为1；χ_0,Au是金的比磁化率，单位为cm³/g；χ_0,Ir是铱的比磁化率，单位为cm³/g；ρ_Au是金的密度，单位为g/cm³；ρ_Ir是铱的密度，单位为g/cm³；

步骤3，利用下式计算金铱合金中金体积百分比的上限v_Au,upper：

步骤4，确定金铱合金中金和铱的体积百分比可选范围，即：金铱合金中金体积百分比v_Au的可取范围为v_Au,lower<v_Au<v_Au,upper，金铱合金中铱体积百分比的可取范围为1-v_Au；

步骤5，按照步骤4所确定的金和铱的体积百分比可选范围，制备得到最终的金铱合金。

综上所述，本发明采用金铱合金作为纯引力轨道验证质量的材料，与目前国际引力探测任务通常所采用的金铂合金相比，一方面，在相同的配比精度下可以实现更低的合金磁化率，即：在相同的配比精度下，金铱合金的磁化率为金铂合金的磁化率的24.85％，从而有利于提高纯引力轨道构造水平和空间引力探测能力；另一方面，在满足相同磁化率指标要求时，金铱合金中金允许的配比范围是金铂合金中金允许的配比范围的3～4倍，也就是说，金铱合金磁化率对其配比并不敏感，当磁化率低于某一指标时，允许的金铱配比范围较大，从而方便制备得到满足磁化率指标要求的金铱合金。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种纯引力轨道验证质量的制备方法，其特征在于，纯引力轨道验证质量为金铱合金，纯引力轨道验证质量的制备方法包括以下步骤：

步骤1，确定需要作为纯引力轨道验证质量的金铱合金的体积磁化率指标要求χ_req,Au-Ir，单位为1；

步骤2，利用下式计算金铱合金中金体积百分比的下限v_Au,lower：

$v_{Au,lower}=\frac{{\mathrm{\&chi;}}_{req,Au-Ir}-{\mathrm{\&chi;}}_{0,Ir}{\mathrm{\&rho;}}_{Ir}}{{\mathrm{\&chi;}}_{0,Au}{\mathrm{\&rho;}}_{Au}-{\mathrm{\&chi;}}_{0,Ir}{\mathrm{\&rho;}}_{Ir}}$

其中，χ_req,Au-Ir是所确定的金铱合金体积磁化率指标，单位为1；χ_0,Au是金的比磁化率，单位为cm³/g；χ_0,Ir是铱的比磁化率，单位为cm³/g；ρ_Au是金的密度，单位为g/cm³；ρ_Ir是铱的密度，单位为g/cm³；

步骤3，利用下式计算金铱合金中金体积百分比的上限v_Au,upper：

$v_{Au,upper}=\frac{-{\mathrm{\&chi;}}_{req,Au-Ir}-{\mathrm{\&chi;}}_{0,Ir}{\mathrm{\&rho;}}_{Ir}}{{\mathrm{\&chi;}}_{0,Au}{\mathrm{\&rho;}}_{Au}-{\mathrm{\&chi;}}_{0,Ir}{\mathrm{\&rho;}}_{Ir}}$

步骤4，确定金铱合金中金和铱的体积百分比可选范围，即：金铱合金中金体积百分比v_Au的可取范围为v_Au,lower<v_Au<v_Au,upper，金铱合金中铱体积百分比的可取范围为1-v_Au；

步骤5，按照步骤4所确定的金和铱的体积百分比可选范围，制备得到最终的金铱合金。

2.根据权利要求1所述的纯引力轨道验证质量的制备方法，其特征在于，对于所述金铱合金，将金占金铱合金的体积比记为v_Au；对于金铂合金，将金占金铂合金的体积比记为v’_Au；则当v_Au和v’_Au在配比精度内为同样的配比时，金铱合金的磁化率为金铂合金的磁化率的24.85％。

3.根据权利要求1所述的纯引力轨道验证质量的制备方法，其特征在于，在满足相同磁化率指标要求时，所述金铱合金中金允许的配比范围是金铂合金中金允许的配比范围的3～4倍。