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“太空建家”它們護(hù)航

發(fā)布時間:2022-11-03 09:21:00來源: 光明網(wǎng)-《光明日報(bào)》

  光明日報(bào)記者 詹媛

  10月31日,中國空間站基本構(gòu)型的最后一塊大“拼圖”——夢天實(shí)驗(yàn)艙從文昌航天發(fā)射場升空,中國人的太空“家園”,在軌建造完成。“太空建家”,眾多自主創(chuàng)新的先進(jìn)器件和設(shè)備發(fā)揮了重要作用。

  1.“鷹眼鏢師”為火箭護(hù)航

  “鷹眼鏢師”,中國航天科工二院23所在文昌航天發(fā)射場有兩部固定式脈沖測量雷達(dá),為夢天實(shí)驗(yàn)艙保駕護(hù)航。自“太空快遞”沖天而起,這兩部雷達(dá)就像鷹眼一樣,火箭飛到哪兒,它們就“看”到哪兒,火箭飛得穩(wěn)不穩(wěn),有沒有“跑偏”,全靠它們“報(bào)信兒”。

  在火箭發(fā)射上升段,這兩部雷達(dá)為文昌航天發(fā)射場指控中心,實(shí)時提供火箭的距離、方位、俯仰等信息,從而讓指控中心掌握火箭上升段運(yùn)行狀態(tài),為安全控制系統(tǒng)提供重要信息——一旦火箭飛行出現(xiàn)偏移軌道的狀況,立刻就能被發(fā)現(xiàn)。同時,這兩部雷達(dá)也為其他設(shè)備提供引導(dǎo)信息,它們的高精度觀測會一直“盯”著火箭帶著夢天實(shí)驗(yàn)艙,順利飛上大氣層。

  文昌航天發(fā)射場位于熱帶,常年濕熱多雨,臺風(fēng)影響頻繁,對雷達(dá)設(shè)備穩(wěn)定性也提出新的要求。為了確保發(fā)射任務(wù)成功,該所對這兩部雷達(dá)的要求是“零故障”。作為該所部署在祖國最南端的固定式雷達(dá)產(chǎn)品,這兩部雷達(dá)開創(chuàng)了該所雷達(dá)設(shè)備在熱帶海島環(huán)境長期工作的先河。雷達(dá)設(shè)計(jì)時對產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了充分考慮,盡可能簡化室外裝備,對室外機(jī)箱進(jìn)行封閉式設(shè)計(jì),選擇防腐蝕、防潮性能好的部件,最大程度提高裝備環(huán)境適應(yīng)性,提高產(chǎn)品可靠性。

  正因如此,這兩個“鷹眼鏢師”,經(jīng)歷了多次考驗(yàn),次次不辱使命——2016年,它們保障“長征七號”和“長征五號”首飛,被西昌衛(wèi)星發(fā)射中心評價為“在兩型火箭首飛期間,穩(wěn)妥可靠,萬無一失,實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵時段零故障的目標(biāo)”。從2016年到2022年,天問、嫦娥、天舟、天和、問天、夢天,這兩部雷達(dá)始終“零故障”,圓滿完成各項(xiàng)任務(wù)保障工作,一次次護(hù)航長征家族的“快遞員”平安奔赴太空。

  2.微波雷達(dá)牽起“太空紅線”

  夢天實(shí)驗(yàn)艙與空間站組合體成功交會對接,中國航天科工二院25所自主研發(fā)的微波雷達(dá)再次牽起“太空紅線”,成功導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)對接,九天之上再現(xiàn)中國精度!

  微波雷達(dá)是空間站交會對接過程中的關(guān)鍵測量敏感器,承擔(dān)著中遠(yuǎn)距離航天器間距離、速度、角度等相對運(yùn)動參數(shù)的精確測量任務(wù)。遠(yuǎn)距離捕獲、穩(wěn)定跟蹤、精準(zhǔn)導(dǎo)引、可靠通信全依賴這個“靠譜紅娘”引導(dǎo)。

  微波雷達(dá)由雷達(dá)主機(jī)和應(yīng)答機(jī)兩部分組成,分別安裝在交會對接的兩個航天器上,兩者就像是電話的兩端,通過微波實(shí)現(xiàn)相互“問答”,傳遞相互的位置、姿態(tài)信息,“牽引”航天器從相遇到相連,直至完成交會對接。此次任務(wù)中,安裝在夢天實(shí)驗(yàn)艙上的微波雷達(dá)在兩個航天器相距約100公里處開機(jī),迅速與安裝在天和核心艙上的應(yīng)答機(jī)建立穩(wěn)定鏈路,并持續(xù)輸出高精度測量數(shù)據(jù),保證對接全過程穩(wěn)定可靠。

  這個“靠譜紅娘”,很不簡單,自它在“天宮一號”與“神舟八號”交會對接任務(wù)中首次亮相以來,20多年間,在載人航天任務(wù)中,先后經(jīng)歷了11次交會對接,保持了屢戰(zhàn)屢勝的光榮記錄,用高精度的產(chǎn)品性能和高可靠的質(zhì)量,完美助力載人航天任務(wù)順利開展,以穩(wěn)定可靠的優(yōu)異表現(xiàn)為空間站建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

  3.氫原子鐘提供高精度時間頻率

  在夢天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)中,中國航天科工二院203所研發(fā)的空間主動型氫原子鐘、頻率比對器首次進(jìn)入空間站執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù),為構(gòu)建空間站高精度時間頻率基準(zhǔn)發(fā)揮了重要作用。

  在此次任務(wù)中,203所研制的空間主動型氫原子鐘裝載于夢天實(shí)驗(yàn)艙高精度時頻柜中,是時頻柜系統(tǒng)中的核心載荷,具有優(yōu)秀的中短期頻率穩(wěn)定度,在滿足小型化的前提下,其技術(shù)指標(biāo)為國內(nèi)最高。它為空間時間頻率系統(tǒng)提供基礎(chǔ)時間頻率信號,為小型化的主動型氫鐘在衛(wèi)星平臺上的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

  什么是原子鐘呢?它是世界上已知最精確的時間測量和頻率標(biāo)準(zhǔn),也是國際時間和頻率轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)。它利用原子核外電子的軌道發(fā)生變化時,會吸收或釋放恒定頻率的電磁波這一工作原理,提取這個振蕩頻率,轉(zhuǎn)化為日常所熟知的秒信號,作為衡量時間的“尺”。這把“尺”非同一般——原子的振蕩頻率非???,如果和單擺比較,單擺幾秒鐘擺動一下,而原子產(chǎn)生的電磁振蕩,一秒鐘就要擺動10億次。

  要知道,原子鐘的準(zhǔn)確度,大大超過了機(jī)械手表、石英鐘,這個差距能有多大呢?平均來看,機(jī)械手表一個小時就會偏差一秒,石英鐘差不多需要270年會偏差1秒,而原子鐘偏差一秒則需要3000萬年。如果給地球上最后一只霸王龍一臺原子鐘,那么到2022年的今天,這臺原子鐘僅僅只會出現(xiàn)2秒的偏差。

  用如此精細(xì)的“尺”來衡量時間,測量精度能不高嗎?

  在這一次的任務(wù)中,203所還研發(fā)了另外一臺核心設(shè)備——頻率比對器,它負(fù)責(zé)對時頻實(shí)驗(yàn)柜系統(tǒng)內(nèi)各原子鐘的性能進(jìn)行測試和評估,并為其他載荷傳遞超高精度的時間頻率信號。這一次,它的核心元器件可是首次采用國產(chǎn)元器件,通過機(jī)、電、熱的設(shè)計(jì)改進(jìn),既可靠又安全。

  夢天實(shí)驗(yàn)艙在軌運(yùn)行后,203所研發(fā)的主動型氫原子鐘和頻率比對器,將極大地提高我國太空實(shí)驗(yàn)室在時間頻率方面的研究成效。

  4.聲表面波濾波器濾除干擾信號

  在夢天實(shí)驗(yàn)艙的旅程中,有一些像“綠豆”一樣大的元器件在通信系統(tǒng)、交會對接系統(tǒng)以及導(dǎo)航系統(tǒng)等方面發(fā)揮作用,它們的職責(zé)是保障試驗(yàn)艙通信、導(dǎo)航等關(guān)鍵部位的順利運(yùn)行,讓太空的聲音清晰傳回地球。

  作為航天器各分系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件,中國航天科工二院23所微電公司研制的多款聲表面波濾波器應(yīng)用于夢天實(shí)驗(yàn)艙中的通信系統(tǒng)、交會對接系統(tǒng)以及導(dǎo)航系統(tǒng)等。

  在太空中,電磁環(huán)境比較復(fù)雜,如果通信受到干擾,就像電話有雜音,聽起來不舒服,還耽誤事兒。而聲表面波濾波器的作用是把宇宙中的雜波信號、諧波還有一些鏡像信息等“多余物”過濾掉,像“濾網(wǎng)”一樣,讓信號更加干凈,更加流暢。

  夢天實(shí)驗(yàn)艙使用的聲表面波濾波器覆蓋了多個波段,器件靈敏度高、損耗小、體積小,有些就像“綠豆”那么大,但是它們?yōu)檎麢C(jī)性能提升優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支撐。

  為了更好濾除無用的信號干擾,確保與地面中心的信號暢通,研發(fā)團(tuán)隊(duì)對每一個濾波器精雕細(xì)琢——聲表面波濾波器的最細(xì)線條僅有0.3μm,相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的1/200,操作需要在顯微鏡下進(jìn)行。每一個合格的高可靠性聲表面波淲波器,都要在高倍顯微鏡下“過關(guān)斬將”。其加工環(huán)境也要求很苛刻,在百級超凈車間中,每批產(chǎn)品至少經(jīng)歷3次超聲波或等離子清洗,充分保證元器件的可靠性。所有的聲表面波濾波器都通過宇航級的高可靠性能試驗(yàn),能充分適應(yīng)發(fā)射階段的巨大加速度、環(huán)境應(yīng)力迅速變化、劇烈振動和沖擊,并能在外太空失重和強(qiáng)輻射等極端環(huán)境中,為相關(guān)任務(wù)保駕護(hù)航。

(責(zé)編:李雨潼)

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