勇攀電子高峰 保障飛天圓夢

高慧

從無人飛行到載人航天，從出艙活動到交會對接，中國人實現(xiàn)千年飛天夢想；從微電子到納電子，從模擬通信到4G商用，電子信息技術(shù)一日千里飛速發(fā)展。載人航天離不開電子信息技術(shù)的支撐，從元器件到整機到系統(tǒng)，從參與到融入到推動，電子信息技術(shù)與載人航天技術(shù)攜手共進(jìn)，保障飛天夢想圓滿實現(xiàn)。

中國電子科技集團公司（以下簡稱中國電科）作為載人航天工程副總指揮長單位，作為黨和國家直接掌控的戰(zhàn)略性團隊，為載人航天工程的實施，做了大量卓有成效的工作。在載人航天工程的八大系統(tǒng)中，中國電科都承擔(dān)了大量的研制和配套任務(wù)，負(fù)責(zé)測控通信系統(tǒng)設(shè)備、雷達(dá)探測設(shè)備、太陽能電池和大量關(guān)鍵元器件的研制任務(wù)。中國電科以國家需要為己任，不畏艱難，勇于挑戰(zhàn)，積極探索，開拓創(chuàng)新，甘于奉獻(xiàn)，始終堅守在國家尖端科研的第一線，一次又一次經(jīng)受考驗，出色地完成使命。

激光雷達(dá)：為“天神相擁”完美“牽線”

2011年11月3日，神舟八號飛船與天宮一號成功交會對接，一項關(guān)鍵技術(shù)的突破引起了國內(nèi)外關(guān)注——國內(nèi)激光雷達(dá)首次在空間環(huán)境應(yīng)用。這項技術(shù)當(dāng)時不僅在我國是首次應(yīng)用，在世界載人航天領(lǐng)域也是一個需要不斷突破的課題。

從“摸著石頭過河”的大膽探索、海量試驗精密求證到技術(shù)的不斷創(chuàng)新完善，長達(dá)十年時間，中國電科堅持探索實踐、自主創(chuàng)新，最終實現(xiàn)國內(nèi)激光雷達(dá)在空間環(huán)境的首次應(yīng)用，多項技術(shù)指標(biāo)填補國內(nèi)空白，綜合指標(biāo)達(dá)到甚至超過世界先進(jìn)水平。

此后，這項技術(shù)在神舟九號、神舟十號飛船上應(yīng)用更加成熟。

中國電科科研人員董光焰介紹，如果說神舟飛船與天宮一號的對接是“肌體”連接的話，那么作為導(dǎo)通兩者之間實現(xiàn)太空交會對接的激光雷達(dá)，毫無疑問承擔(dān)著“眼睛”角色，靠著它，神舟飛船成為一艘“智能飛船”，它精確地發(fā)現(xiàn)天宮一號，并自我引導(dǎo)完成兩個飛行器精準(zhǔn)的“太空擁吻”。

董光焰打了個比方，在天空中，天宮一號在前面飛，速度為每秒7.9公里，神舟飛船在后面追。要“追到手”，神舟飛船首先要“看上”天宮，然后調(diào)整姿態(tài)，慢慢靠近它。在追趕的過程中，神舟飛船還要掌握天宮的相對位置、速度、視覺等數(shù)據(jù)，緊緊跟隨，絕不放手。

如何“看上”呢，靠的就是激光雷達(dá)。

“有人說，飛行器太空對接就像是百米外穿針引線，穿針需要一雙明亮的眼睛，而我們提供的就是這雙眼睛?！倍庋嬲f。

交會對接任務(wù)中，測量參數(shù)多、精度高、動態(tài)范圍大、體積功耗嚴(yán)格受限，是載人航天領(lǐng)域一個突出的難題。

從2001年項目立項開始，中國電科積極開展技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)行了大量的試驗，收集和掌握了數(shù)百萬個激光雷達(dá)一手?jǐn)?shù)據(jù)，突破了五大關(guān)鍵技術(shù)，建立了一套適合激光雷達(dá)航天規(guī)范的技術(shù)流程和工藝規(guī)范。這些技術(shù)指標(biāo)填補國內(nèi)空白，綜合指標(biāo)達(dá)到甚至超過了世界先進(jìn)水平，為我國激光雷達(dá)測試系統(tǒng)的未來發(fā)展和測試標(biāo)準(zhǔn)的建立奠定堅實基礎(chǔ)。

科研人員介紹，太空中探測距離是激光雷達(dá)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，對是否成功交會對接起到至關(guān)重要的作用。然而，我們所能進(jìn)行的所有激光雷達(dá)試驗都是在地面，受大氣衰減影響，作用距離無法精確模擬太空的數(shù)值。

為了得到太空與地面作用距離的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系，中國電科創(chuàng)造性地建立了天地差異模型，并轉(zhuǎn)戰(zhàn)大江南北，奔赴祖國各地開展外場試驗，獲得較為接近太空環(huán)境的遠(yuǎn)距離測試數(shù)據(jù)。

載人航天工程副總指揮、中國電科集團公司董事長熊群力告訴記者，交會對接激光雷達(dá)項目是一個只能成功不能失敗的重大任務(wù)，研制團隊表現(xiàn)可圈可點。在研制過程中，團隊里的每一個人都未雨綢繆，提早做研制工作計劃，每一步都嚴(yán)格落實情況，全力以赴進(jìn)行研發(fā)、試驗等各項工作，用嚴(yán)明的紀(jì)律，雷厲風(fēng)行的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的工作態(tài)度確保成功、確保萬無一失。中國電科交會對接激光雷達(dá)科研團隊因在神舟八號與天宮一號載人對接任務(wù)中作出了卓越貢獻(xiàn)，榮獲“中國載人航天工程突出貢獻(xiàn)集體”稱號。

手動交會對接背后的精準(zhǔn)測控通信

2012年6月24日，中國載人航天工程實現(xiàn)新突破，神舟九號與天宮一號首次手控交會對接成功。

“航天員手控精準(zhǔn)完成飛船與天宮的交會對接，這是真正意義上的駕駛飛船。”中國電子科技集團公司測控通信專家陳建民說。針對手控對接的特點，陳建民說，航天員在“駕駛”飛船實施交會對接的過程中，要看著電視圖像，根據(jù)實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如距離、高度、軸線差別、相對速度等，讓兩個航天器一點點逼近，根據(jù)仔細(xì)計算決定速度變化方案，完成交會對接。

航天員手動操作時掌握的信息則源自神舟九號的測控與通信系統(tǒng)。中國電子科技集團公司科研人員趙曉虎對此分析稱，“就是對火箭、飛船進(jìn)行遙控、通信以及聽診?！?/p>

“遙控，就是控制飛船的運行；聽診，就是測量飛船在整個過程中的軌道運行參數(shù)，包括飛船空間距離、角度、速度、運行軌跡等在內(nèi)的重要數(shù)據(jù)；而通信，則是保障飛船與地面指控中心之間各種數(shù)據(jù)、指揮調(diào)度、天地通信話音和視頻等信息的順利傳輸?！壁w曉虎說。

趙曉虎說，這些測控通信設(shè)備的設(shè)立，就像一張密實的蜘蛛網(wǎng)，實現(xiàn)了天與地、指揮中心與各個地面站點以及海上測控站點之間的有效連接和協(xié)同控制。

“要想成功交會對接，需要通過天地之間的遙測，高精度定軌，確認(rèn)天宮一號和神舟九號的對接口位置，要準(zhǔn)確對準(zhǔn)，空間精度誤差不能超過1毫米。這就對地面監(jiān)測站提出了極高的要求?！标惤裾f。

在太空，天宮一號和神舟九號飛船都是高速運行的，時速達(dá)到2.8萬公里以上。在對接過程中，哪怕很小的誤差，都可能讓飛船錯離目標(biāo)飛行器，或者造成可怕的追尾。

“地面站會不斷發(fā)射、接收電波，通過計算飛行器距地球距離和電波傳輸速度對飛行器位置進(jìn)行測量。神七成功發(fā)射后，我們對地面站測控設(shè)備進(jìn)行了一次大改造，神九的設(shè)備速度更快、測量精度更高。”陳建民說。

“時間對于測控系統(tǒng)來說是非常嚴(yán)格的。第一宇宙速度是每秒7.8公里，在這個高度上維系飛船的運行至少要達(dá)到8公里/秒左右，軌道越高，它的速度就越高。時間如果不準(zhǔn)，就完全可能出現(xiàn)差之毫厘、失之千里的情況。”陳建民說。

在遍布全球各地的測控站點，要使整個測控網(wǎng)的時間同步到一個時鐘上，這就相當(dāng)于日常的對表?！斑@個表的精度有多高呢？是10的11次方。大約相當(dāng)于3170年不能差一秒?！标惤裾f。

航天員在手動操作實施交會對接過程中看到電視圖像，聽到來自地面的聲音，這主要得益于通信系統(tǒng)的暢通無阻。飛行器、地面測控站點、指揮控制中心在天地之間搭建了一張無形的天地通信網(wǎng)絡(luò)，通過這個網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)各種通信測控數(shù)據(jù)、指揮調(diào)度、通信話音和視頻等信息的順利傳輸。

“過去，航天員看不到地面的圖像；現(xiàn)在，天地之間、各地面站之間的通信系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化連接，邁入互聯(lián)互通新時代?！敝袊娍聘呒壒こ處煑钪緡f，“如果把以往的通信比作鄉(xiāng)間小路，那現(xiàn)在的通信就是一條雙向高速公路，可以更快、更多地完成天地問的信息傳輸。同時，采用更高頻段的信息傳輸質(zhì)量有很大提高，現(xiàn)在傳輸?shù)漠嬅婵梢枣敲栏咔咫娨暜嬅?，聲音清晰程度超過日常電話通話質(zhì)量?！?/p>

在神舟九號與天宮一號對接過程中，每秒的數(shù)據(jù)都很重要，這就要求傳輸網(wǎng)絡(luò)要絕對可靠?！懊裼玫?P網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，即數(shù)據(jù)丟失。這樣的事情絕對不能在飛船飛天后發(fā)生，因為這樣就會導(dǎo)致指令不對或是連接中斷，所以丟包率必須為零?！敝袊娍聘呒壒こ處煴R華斌說，這次神九飛天過程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、線路都有備份，并且是“熱備份”，即兩條網(wǎng)絡(luò)同時工作，確保數(shù)據(jù)傳輸萬無一失。

太陽能電池：飛船的生命源泉

太陽能電池陣是飛船的“動力之源”。中國電科因“東方紅3號”的優(yōu)秀表現(xiàn)，被載人航天工程總體確定為神舟飛船太陽電池方陣設(shè)計、研制和生產(chǎn)單位。在“神舟一號”至“神舟十號”飛船以及“天宮一號”的發(fā)射試驗中，中國電科的太陽池方陣、地面太陽電池模擬器、人體代謝模擬裝置用鋅銀電池、姿態(tài)控制數(shù)字式太陽角計用集成光電敏感器和地面模擬供電檢測設(shè)備等都工作正常，為飛船的發(fā)射運行提供了有力支撐。

從火箭發(fā)射點火后到神舟飛船和火箭分離、太陽能帆板展開前，飛船的電能由蓄電池提供；太陽電池陣展開后對日定向，開始將太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，一方面提供飛船平臺電能，同時給蓄電池充電，滿足飛船在無太陽光區(qū)域即地球陰影區(qū)的電能需求。如果太陽電池陣不能提供充足的電能，飛船就無法正常工作。“就像家里的空調(diào)一樣，電能不足時，就無法正常工作?！毕嚓P(guān)專家介紹。

從神一到神六，飛船的“翅膀”上采用的都是硅太陽電池，只能吸收特定光譜范圍的太陽光，其轉(zhuǎn)換效率不高。神舟九號不僅增加了對接機構(gòu)，還搭載了三名航天員。與此同時，飛船的返回艙、推進(jìn)艙內(nèi)，也增加了不少新設(shè)備，大大增加了電力的消耗。要滿足巨大的消耗，中國電科的科研人員就在飛船的太陽能“翅膀”上動起了腦筋，采用了一種名為三結(jié)砷化鎵的新型太陽電池。

三結(jié)砷化鎵太陽電池陣，平均光電轉(zhuǎn)換率為27.56%，光電轉(zhuǎn)化效率提高了50%以上。發(fā)電能力達(dá)到國際先進(jìn)水平，和神舟八號飛船所用的電池陣相比也提高了0.16%。

三結(jié)砷化鎵太陽電池陣不僅轉(zhuǎn)換效率高，而且抗輻射性能好。神舟九號飛船運行在320-340公里的近地球軌道，空間環(huán)境中的紫外線、電子、質(zhì)子等空間粒子都會對太陽電池陣產(chǎn)生影響，產(chǎn)生性能衰降。為確保太陽電池陣在任務(wù)期間的安全性、可靠性，滿足能量的需求，太陽電池的性能越高、抗輻射性能越好，在任務(wù)末期的性能衰減越小，從而可以在任務(wù)開始和結(jié)束時都能很好滿足飛船的電能需求。

毫不夸張地說，太陽電池陣就是飛船的生命之源泉，中國電科研制的高質(zhì)量高可靠的電源產(chǎn)品保障了它的生命能量。

煉就“慧眼”迎神舟

在“神舟”飛天的光輝歷程中，著陸場搜救堪稱收官之作。我國科技人員不畏艱難，自主創(chuàng)新，先后研制出了陸上、海上和空中系列搜救裝備，成為飛船返回搜救的“火眼金睛”，確保了歷次返回搜救任務(wù)圓滿完成，使我國載人航天搜救技術(shù)走在世界前列。

著陸場系統(tǒng)是宇航員安全返回地面的最后一個環(huán)節(jié)，也是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。飛船返回艙著陸后，如何在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并實施救援，對宇航員和返回艙的安全至關(guān)重要。

1997年，在飛船其他系統(tǒng)緊鑼密鼓進(jìn)行研制的過程中，原總裝備部組織自主研發(fā)921工程著陸場短波定向儀和短波通信設(shè)備，使著陸場系統(tǒng)在搜救返回艙時有了鎖定目標(biāo)的“眼睛”，極大縮短搜救回收的時間，提高搜救回收的效率，確保返回艙和航天員的安全。

經(jīng)過艱苦攻關(guān)，中國電科拿下了這一任務(wù)。

在“神舟”飛船的發(fā)射中，我國采用了空中和地面（海面）雙重保障的搜救體系。所有參試設(shè)備分布在主著陸場、副著陸場、海上濺落區(qū)和應(yīng)急著陸區(qū)等廣大區(qū)域，形成了海陸空天地一體的搜救網(wǎng)絡(luò)。

為了進(jìn)一步提高搜救效率，也為保護環(huán)境、節(jié)約投入、縮減龐大的地面搜救隊伍，2008年1月，原總裝備部制定了“空中搜救航天員，地面處置返回艙”的回收搜救方案，中國電科又一次勇挑重?fù)?dān)。

受氣象、地形地貌等諸多因素的影響，返回艙著陸的姿態(tài)不能像人們設(shè)定的那樣直立于地面，往往會發(fā)生傾斜或傾倒。一旦出現(xiàn)這種狀態(tài)，定向儀收到的信號會發(fā)生極化變異，如果不采取雙極化技術(shù)體制則可能收不到信號或收到很弱的信號，給搜索搜救帶來困難，延長航天員出艙時間。

經(jīng)過一年多艱苦卓絕的攻關(guān)，中國電科突破了雙極化接收、小型化天線陣列、機載環(huán)境電磁兼容、適合機載環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計等多項關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出了比進(jìn)口定向儀功能更齊全、技術(shù)更先進(jìn)的機載定向儀，確保飛船返回艙落地后在不同姿態(tài)下都能被準(zhǔn)確定位。

此后，中國電科又一舉拿下空中搜救指揮平臺建成的任務(wù)。這個平臺的建立，使我國的航天搜救從返回艙再入大氣層開始，對目標(biāo)進(jìn)行捕捉、分析和落點預(yù)報，然后組織搜救人員迅速向返回艙集結(jié)，指揮對航天員的救護和對返回艙進(jìn)行處置，同時肩負(fù)與北京指揮中心的通信聯(lián)絡(luò)，實現(xiàn)了搜救的組織指揮從地面到空中的轉(zhuǎn)移和對返回艙搜索的無縫鏈接，極大地提高了搜救效率，使我國著陸場搜救系統(tǒng)實現(xiàn)了“空中搜救航天員、地面處置返回艙”的新模式。

此外，中國電科還為神舟系列、艙外航天服研制了數(shù)千套傳感器。主要有用于航天員生理參數(shù)遙測的脈搏壓力傳感器，用于環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的座艙總壓傳感器等，為航天員的生存提供保證和控制。

從“神一”到“神十”，中國飛天圓夢之旅上的各個“風(fēng)景點”都凝聚著中國電科科研人員的智慧、心血和汗水。這支黨和國家信得過的隊伍，一直保持著天生的創(chuàng)新基因和激情，深躬電子信息行業(yè)，為中國的航天事業(yè)交出了一份滿意的答卷。

（作者單位：中國電子科技集團公司）