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解密北鬥“成長之路”,這些瞬間很硬核!

馮傑

2020年10月10日 02:10

央視新聞客戶端(2020年10月9日)

二十世紀80年代,我國開始探索建設自己的衛星導航系統。2020年,北鬥三號系統建成,對全球用戶提供服務。在北鬥建設的曆程中,遭遇了哪些難題?當一款芯片放大兩萬倍,北鬥人看見了怎樣的瑕疵?北鬥系統服務全球的背後,又經曆了怎樣的波折和驚險時刻?《新聞調查》記者來到北鬥衛星的主要研制單位中國空間技術研究院,帶你“解密”北鬥。

解密一個罕見的畫面:

北斗卫星太阳翼展开瞬间 这个“首次”太难得

中國空間技術研究院隸屬于航天科技集團,又被簡稱爲航天科技集團五院,它成立于1968年,首任院長是著名科學家錢學森。我國1970年發射的第一顆人造地球衛星“東方紅一號”就出自這裏。

範本堯院士是我國衛星事業發展的見證者之一。北鬥三號最後一顆組網衛星發射過程中的一個細節,令這位資深的衛星專家耳目一新。

中國工程院院士、航天科技集團五院北鬥一號總設計師範本堯:星箭分離以後看到太陽翼展開,這個畫面我們也是第一次看到,以前都拍不著。

範本堯院士所說的第一次看到的畫面,就是2020年6月23日,我國發射北鬥系統第五十五顆導航衛星,也就是北鬥三號最後一顆全球組網衛星時,全國億萬觀衆第一次從直播畫面中看到了衛星與火箭分離後,太陽翼像衛星的兩個翅膀一樣展開的全過程。

太陽翼是衛星的主要部件之一,又叫太陽能帆板,它是衛星上收集太陽能的裝置,也就是衛星的能量來源。以往,北鬥衛星上的太陽翼都是在火箭與衛星分離30多分鍾後才打開。到那時,衛星獨自遨遊在太空,地面的人根本無法看到太陽翼展開的全過程。

說起我國掌握衛星太陽翼展開的技術,時光還得回到將近40年前。那時,中國的改革開放剛剛開始,北鬥工程還沒有上馬,但中國的衛星事業還在國際合作中慢慢積累經驗。但很多國家都只賣東西封鎖技術。面對與國外的差距,科研人員增強了追趕世界先進水平的緊迫感。

從2006年開始做國産化替代研究,2014年在北鬥第一次使用。如今,將近40年過去了。在航天科技集團五院所屬的529廠,中國的工人們已經開始批量生産國産的衛星太陽翼了。

解密一次“驚險”的攻關:

攻克北斗二号关键技术难题 最后时刻“压哨得分”

2000年,隨著北鬥一號衛星導航系統的建成,我國用最少的衛星、最小的投入,解決了國內區域衛星導航從無到有的問題。此後,我國開始將衛星導航系統建設走出自己的版圖,著手建設覆蓋亞太地區的北鬥二號系統。

茫茫太空看似無邊無際,但由于人類的技術水平和開發運行成本的限制,適用于衛星導航的軌道和頻率資源實際上是有限的。爲了規範太空秩序,各國發射導航衛星之前必須向國際電聯申請各自的頻段。這時,爲建設北鬥二號,我國向國際電信聯盟申請新的太空頻率資源。

國際電聯規定,各國均有權申請頻率資源使用權,但必須在7年有效期內發射導航衛星,並成功接收傳回的信號,否則占有頻率的權利便自動失效。2000年,4月17日,國際電聯正是受理申請,2007年4月17日24點,是發射首顆北鬥衛星並回傳信號的最後期限。

七年的發射倒計時開啓,北鬥人面臨的是艱巨的科研攻關任務:比如,美國的導航系統覆蓋全球,是因爲他們在全球建立了地面基站,而我國一時還無法解決在全球建立地面基站的問題;此外,決定導航衛星定位精確度的原子鍾技術也還沒有攻克……

其實,在開始建設北鬥工程時,中國已經可以生産原子鍾,但是它是否能夠經曆火箭發射時的巨大震動以及太空真空環境下的考驗還是一個未知數。正因爲如此,北鬥一號上的原子鍾還依賴進口:在開始北鬥二號建設時,中國轉而向歐洲購買原子鍾,但在價格、精度和穩定性上都得不到滿意的結果。因此,原子鍾國産化的進程勢必要進一步加速。

國産原子鍾在真空狀態下能不能正常工作?如何保證他的穩定性?都需要經過反複實驗。距離頻率失效的最後期限越來越近,時間緊迫,當年測試環節自動化水平還很低,測試人員必須連軸轉,需要不眠不休地緊盯著相關的數據進行人工記錄。

2007年4月8日,隨著包括铷原子鍾在內的許多技術難題被一一攻克,北鬥二號首發星迎來了預定發射的日子!但在在臨近發射還有8天時,科研人員在最後一次衛星和火箭聯合檢查時發現,衛星上的一台應答機出現了問題。

航天科技集團五院北鬥三號衛星總體主任設計師叢飛:它在整流罩裏,如果要打開的話,8個鑼栓都要松開很困難,把整流罩打開也很困難。此外因爲衛星在火箭的三級,把整流罩打開之後,還得把衛星的艙板子掀開,衛星表面包了好多層,包括熱控的一些東西都得扒掉才能把板子露出來。

拆裝有風險的,時間又非常緊迫。經過3天的慎重研判,應答機從衛星上被拆下,之後,經過72小時的修複和檢測,問題得以徹底解決。不過,火箭發射的時間因此被推遲到了2007年4月14日。此時,距離我國申請的太空頻率資源失效的日期僅僅相差3天時間。

2007年4月17日20時許,北京清晰地接收到來自這顆衛星的信號。那一刻,距離頻率失效的最後期限4月17日24點已經不到4個小時。

中國北鬥在最後時刻就如同籃球場上的壓哨得分,驚險地拿到了進軍全球衛星導航系統俱樂部的“入場券”。

解密一次苛刻的技術篩查:

放大2万倍查找芯片瑕疵 严把质量关提高国产化率

任何技術的創新和實現都離不開硬件的支持。在北鬥建設的曆程中,衛星的重要部件以及元器件的國産化水平不斷提高。但事實上,科研人員起初對于進口産品在心理上都存在著某種依賴,但隨著北鬥工程的國際影響日益擴大,國外的技術封鎖也在加劇,重要部件實現國産化勢在必行。同時,讓他們下定決心要推進國産化的另一個原因是,即便是可以進口的少量部件,國外的某些産品並不能完全滿足北鬥衛星的技術要求。

在國産化不斷提高的過程中,爲衛星上的元器件把好質量檢驗關就顯得尤爲重要。

爲此,航天科技集團五院于1984年成立了宇航物資保障事業部,它成爲中國最早成立的宇航元器件質量保證的專業機構,如今,它每年爲上千萬只航天元器件提供質量保證。航天科技集團五院宇航物資保障事業部宇航元器件應用驗證副總指揮孫明向記者展示了他們對一款國産芯片采用的近乎苛刻的“基因篩查”技術。

航天科技集團五院宇航物資保障事業部宇航元器件應用驗證副總指揮孫明:我們把芯片中的一只打開帽,開帽後,用16倍放大,可以看到這個圖,我們接著放大,在100倍的時候,大家看,我們已經看到一些明顯的缺陷了。這兩個絲有可能碰到,碰到就會在我們應用過程中短路。

再往下,進入內部缺陷的查找,對容易出問題的一個點進行250倍的放大,再到750倍、2200倍、20000倍,最後看到有一個孔洞,有一個裂紋。這種缺陷在工作一段時間後,就有可能造成它的短路。

北斗三号核心元器件国产化率100% 这项“卡脖子”技术来之不易

據了解,爲了讓北鬥三號衛星導航系統早日開通服務,全國400多家單位,30多萬科技人員先後參與其中,先後攻克了包括星間鏈路、高精度原子鍾在內的160多項關鍵核心技術,在500多種元器件和重要部件國産化研制上實現了突破。

目前,北鬥三號衛星系統的核心器部件國産化率已經達到了100%。

如今,全國30多萬北鬥建設的參與者所走過的奮鬥曆程已被歸納成“自主創新、開放融合、萬衆一心、追求卓越”的新時代北鬥精神,成爲了镌刻著時代鉻印的精神財富。


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2020年10月10日 10:03
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