天舟一號采用七大類國產(chǎn)核心元器件

　　4月20日19時41分，我國首艘搭載著“天舟一號”貨運飛船的長征七號遙二火箭在海南文昌發(fā)射場成功點火升空，開始執(zhí)行為期5個多月的太空飛行任務(wù)。任務(wù)中，貨運飛船與天宮二號將實施三次交會對接，這在我國航天歷史上還是第一次。三次交會對接主要目的是驗證貨運飛船的能力、繞飛至前向?qū)蛹夹g(shù)及自主快速交會對接技術(shù)。

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　　經(jīng)過一天多的飛行，4月22日，12時23分與天宮二號空間實驗室順利完成自動交會對接。這是天宮二號自2016年9月15日發(fā)射入軌以來，首次與貨運飛船進行的交會對接。

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　　俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)援引《航空全景》雜志主編、莫斯科航空學院專家謝爾蓋·菲利片科夫的話稱：“中國在走蘇聯(lián)走過的路。但(中國飛船的)機載設(shè)備要好得多，所采用的數(shù)字化技術(shù)在無人和載人航天領(lǐng)域都有很大前景。同時也存在一些問題。太陽耀斑發(fā)生時宇宙空間存在電離輻射，即便是近地軌道上的電子設(shè)備也會收到破壞。如果中國已經(jīng)有這種可靠的微芯片結(jié)構(gòu)，可免受電離輻射破壞，那么這將是向前邁出的一大步。而俄羅斯才剛有這樣的計劃。”這意味著未來十年后世界上唯一的一個太空之城——中國空間站的相關(guān)研制和應(yīng)用正在進入快車道。

　　據(jù)集微網(wǎng)統(tǒng)計，有多款來自中國芯的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)在“天舟一號”任務(wù)中得以應(yīng)用，一起來認識下吧。(如有遺漏，歡迎補充)據(jù)北京晨報報道，為了帶動元器件自主研制，加速實現(xiàn)元器件的自主可控，提前驗證空間站中所用的關(guān)鍵元器件，作為飛行驗證平臺的天舟一號首次大刀闊斧地使用了七大類國產(chǎn)新研核心元器件，將未來空間站建設(shè)的關(guān)鍵命脈牢牢握在手中。

　　在“天舟一號”中的數(shù)字信號傳輸模塊，10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器，國內(nèi)首款應(yīng)用頻率達到40GHz的微波傳輸端子及外殼以及首次研制成功100VDC/DC電源和EMI濾波器，都是由中國電子科技集團研制提供的。同時，在天舟一號的推進艙和貨物艙內(nèi)遍布電子控制系統(tǒng)中，中國電科研發(fā)的抗輻射加固1553B總線控制器在天舟數(shù)管分系統(tǒng)也得以應(yīng)用。

　　據(jù)中國電科數(shù)字光模塊專家羅洪介紹，“數(shù)字光模塊好比人的神經(jīng)系統(tǒng)，控制著數(shù)據(jù)的發(fā)送、傳遞、接收。比如飛船從宇宙空間采集到的圖像數(shù)據(jù)、地面控制臺與飛船之間的通話、交匯對接時的傳感數(shù)據(jù)都是由數(shù)字信號傳輸光模塊完成。”據(jù)悉，以往飛船通常應(yīng)用銅纜傳輸信號，但因為體積大、重量大、傳輸距離短、傳輸速率低、抗干擾能力差的缺點，一直制約飛船發(fā)展。“在未來空間站的建設(shè)中，由于數(shù)據(jù)吞吐量的急劇加大，不采用數(shù)字信號傳輸光模塊，空間站將不堪重負。”

　　羅洪表示，數(shù)字信號傳輸光模塊與傳統(tǒng)銅纜傳輸系統(tǒng)相比，重量降低到原有的十分之一、體積減小五分之一、傳輸速率從兆比特量級提高到吉比特量級、空間抗輻射能力達到高軌運行能力等優(yōu)勢，實現(xiàn)了產(chǎn)品的抗輻照、小型化、溫度適應(yīng)性強、高靈敏度和高速率性能，成功解決了空間飛行器信號傳輸設(shè)備的小體積與小重量設(shè)計需求，提高了信號傳輸速率，有效提升了空間飛行器信號傳輸性能，可靠保障空間飛行器運行。

　　在天舟一號的推進艙和貨物艙內(nèi)遍布電子控制系統(tǒng)中，中國電科研發(fā)的抗輻射加固1553B總線控制器在天舟數(shù)管分系統(tǒng)得以應(yīng)用，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)命令的可靠傳輸及部分設(shè)備的有效控制，猶如天舟一號的部分“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，發(fā)出無數(shù)的支線數(shù)據(jù)命令，實現(xiàn)各個神經(jīng)、器官的數(shù)據(jù)通信，共同完成天舟的各種動作。針對芯片中的存儲器、觸發(fā)器等薄弱、敏感單位，該集團進行了邏輯層面的抗輻射加固設(shè)計，同時在版圖設(shè)計中進行單獨全定制設(shè)計，實現(xiàn)了最終抗總劑量能力達到國際先進水平。

　　同時，天舟一號上搭載了該集團配套了100%全國產(chǎn)自主研發(fā)的10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器這些關(guān)鍵“神經(jīng)元”，實現(xiàn)了核心器件自主可控。其中，傳感器遍布飛船的熱控、推進、環(huán)控生保等分系統(tǒng)，配套種類包括壓力、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、離子感煙、差定溫等傳感器，可實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與控制及飛行姿態(tài)調(diào)整等。光纜及光纖連接器用于光端機和光探測器之間光路的通信互連及數(shù)據(jù)的高速雙向傳輸，保證飛船在軌運行期間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

　　此外，該集團研制的國內(nèi)首款應(yīng)用頻率達到40GHz的微波傳輸端子及外殼，首次研制成功100VDC/DC電源和EMI濾波器，使天舟一號中的航天器母線電壓提升到100V，有效提升了載荷能力和供電總效率。

　　同時，天舟一號上搭載了該集團配套了100%全國產(chǎn)自主研發(fā)的10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器這些關(guān)鍵“神經(jīng)元”，實現(xiàn)了核心器件自主可控。此外，該集團研制的國內(nèi)首款應(yīng)用頻率達到40GHz的微波傳輸端子及外殼，首次研制成功100VDC/DC電源和EMI濾波器，使天舟一號中的航天器母線電壓提升到100V，有效提升了載荷能力和供電總效率。

　　據(jù)了解，激光交會對接雷達和光學成像敏感器等的使用便是天舟一號貨運飛船與天宮二號成功進行交會對接的關(guān)鍵。這兩款由中國電子科技集團研制的核心組件保證了兩個高速運行的飛行器更加迅速、可靠地對接在一起。

　　兩個飛行器在太空中要經(jīng)過幾十萬公里的追逐，最終完成精準地對接，這一過程被航天人比喻成“穿針引線”。經(jīng)過相關(guān)單位的多次實驗和努力，中國交會對接設(shè)備突破了多項技術(shù)，性能明顯優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，處于國際領(lǐng)先水平。

　　“在對接過程中，兩個飛行器飛行速度為7.9公里/秒，要在如此速度下完成繞飛對接和快速交會對接，這就要求激光雷達始終保持較為寬廣的視角和更高精度的測量跟蹤。”據(jù)中國電科激光雷達總師屈恒闊介紹，在天宮二號上搭載了中國電科研制的激光雷達合作目標，天舟一號搭載了激光雷達主機和信息處理機。其探測的基本過程，是由安裝在飛船上的激光雷達系統(tǒng)發(fā)出激光束，激光束照射到天宮二號上后返回信號，激光雷達系統(tǒng)再根據(jù)接收到的返回信號計算分析。“天宮二號攜帶的激光雷達合作目標裝載了特殊的玻璃棱鏡，可以從多方位、大范圍內(nèi)反射激光雷達的光信號，配合激光雷達完成距離、角度等飛行參數(shù)的測量，確保飛船進行精準對接。”

　　最終，在同等體積重量功耗下，中國電科的激光雷達工作范圍比國外同類產(chǎn)品增大了兩倍以上，實現(xiàn)了全范圍內(nèi)高精度測量跟蹤。

　　天宮二號與天舟一號在太空中要經(jīng)過幾十萬公里的追逐，完成“穿針引線”般的精準對接，從二者距離150m開始直到最終完成精準對接整個過程中，有一個被譽為“靈敏眼睛”的光學成像敏感器，該設(shè)備能讓兩個高速運行的飛行器更加迅速、可靠的對接在一起。

　　中國電子科技集團公司高級工程師劉志強介紹，“導航定位激光信息源是光學成像敏感器的關(guān)鍵組件，即使是在太空中漆黑無界，它也能發(fā)出激光，在黑暗中找到目標，傳遞信息;即便是在面對太陽強光的直射時，它也能發(fā)射出比陽光更加明亮的雙波長激光，確保‘眼睛’不被傷害，找到目標。”

　　“在本次航天任務(wù)中，激光信息源面臨著在軌時間長、使用次數(shù)多、對接速度快和在陽照區(qū)環(huán)境實施對接等多重考驗，對接精度必須精確到毫米級，可以說，交會對接難度非常大。”基于此，中國電科的項目團隊在有限的時間內(nèi)，結(jié)合航天實際應(yīng)用進行產(chǎn)品原理和工藝的全新設(shè)計，進行了完整、充分的相關(guān)環(huán)境試驗，經(jīng)過2000多次的試驗，最終研制出第三代產(chǎn)品，其可靠性更高、重量更輕、體積更小、功耗更低，高抗輻照、傳導熱能力強，主要技術(shù)指標達到國際先進水平。而這個過程可謂艱辛。

　　在“天舟一號”貨運飛船與“天宮二號”交會對接任務(wù)中，發(fā)射指揮中心可通過航天513所研制的寬波束中繼測控系統(tǒng)搭建的天基測控通信系統(tǒng)，隨時掌握“天舟一號”貨運飛船和“天宮二號”的運行情況，并向飛船發(fā)送指令，保證任務(wù)執(zhí)行。

　　據(jù)航天513所“天舟一號”寬波束中繼測控終端主管設(shè)計師張舉介紹，過去由于通信通道相對狹窄，飛船在調(diào)整姿態(tài)進行對接、分離等技術(shù)動作時，與中繼衛(wèi)星極有可能出現(xiàn)信號中斷現(xiàn)象，而寬波束中繼測控系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是測控覆蓋范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的中繼測控。與此同時，由航天513所山東航天空間載荷中心研制的艙內(nèi)輻射環(huán)境測量載荷將進行粒子輻射環(huán)境探測及元器件輻射效應(yīng)監(jiān)測，對相關(guān)元器件在經(jīng)受空間輻射考驗后的“身體狀況”進行“診斷”。

　　據(jù)航天513所山東航天空間載荷中心粒子探測組技術(shù)負責人劉金勝介紹稱，艙內(nèi)輻射環(huán)境測量裝置能夠測量空間中的輻射環(huán)境以及元器件在空間輻射效應(yīng)中的正常工作狀態(tài)，判斷這個元器件是否能在空間中穩(wěn)定運行，保證貨運飛船和其它一些航天器能順利完成原定目標。

　　此外，航天513所研制的星載計算機產(chǎn)品應(yīng)用于飛船多個分系統(tǒng)，為各系統(tǒng)穩(wěn)定運行發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　天舟一號貨運飛船重13噸，主要由貨物艙、推進艙兩個艙段組成，其中推進艙由中國航天科技集團公司上海航天技術(shù)研究院負責總裝，為飛行器提供動力、能源和通信功能，同時為空間站提供推進劑補加服務(wù)。

　　據(jù)上海航天技術(shù)研究院對接機構(gòu)專家靳宗向介紹，“天舟一號”比載人飛船重很多，相比載人船上的對接機構(gòu)，此次貨運飛船上的對接機構(gòu)特別增加了一些緩沖裝置，控制器和驅(qū)動器也進行了相應(yīng)的升級。第二代對接機構(gòu)必須適應(yīng)未來空間站建造階段8-180噸各種噸位、各種方式的對接，包括偏心對接，其間將會產(chǎn)生巨大的對接能量，對于對接機構(gòu)的緩沖耗能能力提出很高的要求，這也是空間站建造階段必須突破的一項技術(shù)。上海航天的設(shè)計師們通過大量的技術(shù)攻關(guān)和方案論證，提出了可控阻尼的控制思路。這項設(shè)計經(jīng)過可控阻尼器單機產(chǎn)品、改進型傳動緩沖對接機構(gòu)產(chǎn)品以及分系統(tǒng)級的整機、緩沖等全覆蓋的考核措施，滿足本次及后續(xù)任務(wù)的需求。

　　“天舟一號”還有一項重要任務(wù)是空中“加油”，在完成與天宮二號交會對接、進入組合體飛行模式后，推進系統(tǒng)補加驅(qū)動器將在六個月的空間實驗室任務(wù)中開展補加功能的試驗驗證工作。組合體飛行過程中，上海航天技術(shù)研究院研制的推進控制驅(qū)動器將執(zhí)行控制系統(tǒng)指令，控制所有發(fā)動機和管路閥門，對組合體進行姿態(tài)和軌道控制。

　　上海航天技術(shù)研究院院長代守侖告訴記者，回顧神舟一號至神舟十一號、天宮一號、天宮二號的13次發(fā)射任務(wù)中，上海航天承擔的任務(wù)均取得了圓滿成功，特別是歷經(jīng)多年研制的對接機構(gòu)在確保任務(wù)成功中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

　　而在后續(xù)載人航天任務(wù)中，除了載人飛船、貨運飛船、空間實驗室等任務(wù)以外，上海航天還承擔了空間站實驗艙Ⅱ總體任務(wù)，空間站系統(tǒng)的對接機構(gòu)、電源分系統(tǒng)及非密封艙結(jié)構(gòu)與總裝、測控通信設(shè)備，光學艙系統(tǒng)能源功能、對接子功能、測控通信設(shè)備等研制任務(wù)。

　　在“天舟一號”電子控制系統(tǒng)中，位于無錫市濱湖區(qū)蠡園開發(fā)區(qū)的中科芯(58所)貢獻兩款核心芯片，控制飛船的動作，無論捕獲、緩沖還是拉近，可以做到毫厘不差。

　　據(jù)中科芯的工程師介紹，“天舟一號”電子控制系統(tǒng)猶如飛船的大腦和神經(jīng)，而這兩款芯片就像“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，發(fā)出無數(shù)條支線數(shù)據(jù)命令，連接飛船各個“器官”間的數(shù)據(jù)通信，控制飛船完成各種高難度的動作。這兩款型號芯片除用于“天舟一號”，還用于“天宮二號”“神舟十一號”以及部分民用產(chǎn)品，顯示出出眾的穩(wěn)定性和可靠性。研發(fā)團隊憑此申請了20多項專利。

　　抗輻射是科研人員在芯片設(shè)計中遇到的一大難題。據(jù)研發(fā)人員蔡潔明介紹，高軌太空的輻射環(huán)境十分惡劣，芯片如果不能抵御輻射，就會發(fā)出錯誤命令和數(shù)據(jù)，可能造成飛船功能失常或運行失誤。研發(fā)期間，蔡潔明和同事每周加班二三十個小時，兩年艱苦攻關(guān)，前后四易方案，終于使芯片抗輻射數(shù)據(jù)達到設(shè)計要求。經(jīng)過抗輻射加固的芯片就像肌肉發(fā)達的“拳擊手”，能承受來自各個方向、各種距離的帶電粒子、質(zhì)子的打擊而屹立不倒。

　　在“天舟一號”的運載系統(tǒng)和飛船系統(tǒng)中配套的多款電源產(chǎn)品，是由位于合肥中國電科43所提供的，包括天舟飛船使用的六大系列22個品種DC/DC變換器和EMI濾波器。

　　這是我國乃至國際系列化程度最高、品種數(shù)最多、功率覆蓋最全的系列產(chǎn)品，產(chǎn)品技術(shù)指標鑒定為“國際領(lǐng)先”水平，具有首創(chuàng)意義，提升了我國供電母線體系的整體水平。

　　據(jù)中國電科43所相關(guān)研發(fā)人員介紹，為完成本次任務(wù)，中國電科43所經(jīng)受了兩大考驗，首先，在長征七號運載火箭第一次執(zhí)行正式發(fā)射任務(wù)中，研制生產(chǎn)了多款專用高可靠的DC/DC變換器和EMI濾波器，為火箭精度控制提供穩(wěn)定可靠的電能源轉(zhuǎn)換。其次，為“天舟一號”飛船研制生產(chǎn)了系列化宇航級的DC/DC變換器和EMI濾波器，將航天器母線電壓提升近4倍，有效提升了飛船的載荷能力和供電總效率。這些電源產(chǎn)品均是“天舟一號”飛船的核心部件，猶如飛船的“心臟”。

　　隨“天舟一號”升空的“絲路一號”科學試驗衛(wèi)星01星，是我國采用貨運飛船搭載方式首次發(fā)射的對地觀測微納衛(wèi)星。它搭載了我國自主研制的首顆宇航級高速圖像壓縮芯片“雅芯-天圖”，由西安電子科技大學圖像所與航天五院513所聯(lián)合研制。除此之外，西安電子科技大學圖像所還承擔了“天宮”與“天舟一號”對接系統(tǒng)中遙操作攝像機數(shù)字視頻編碼和解碼設(shè)備的研制工作。

　　科學試驗衛(wèi)星01星，具有體積小、重量輕、功能密度高的特點，搭載著總重量不超過1千克的輕小型可見光相機，以及我國自主研制的首顆宇航級高速圖像壓縮芯片“雅芯-天圖”。它是由在陜的地理信息工程國家重點實驗室、西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司、中國科學院西安光學精密機械研究所、西安電子科技大學等科研單位聯(lián)合研制的，“絲路一號”整星的收攏尺寸僅為330毫米×100毫米×100毫米，質(zhì)量不超過4.5千克，設(shè)計軌道高度400公里，具備光學遙感對地觀測能力，是“絲路微小衛(wèi)星群對地觀測系統(tǒng)”的首發(fā)星，擔負著系統(tǒng)技術(shù)體制驗證任務(wù)。

　　絲路微小衛(wèi)星群計劃發(fā)射30顆以上的微納衛(wèi)星，可以提供全色、多光譜、高光譜等多種類型的遙感影像并具備增強導航功能。衛(wèi)星通過組網(wǎng)可以將重訪周期縮短至1天，徹底改變遙感衛(wèi)星重訪周期長、產(chǎn)品種類少的舊有格局。

　　此外，由北京理工大學信息與電子學院航天電子技術(shù)研究團隊吳嗣亮教授、崔嵬教授負責研制的“天舟一號”微波雷達信號處理機與“天宮二號”微波應(yīng)答機信號處理機，為“天舟”、“天宮”提供精確的相對位置和運動參數(shù)測量信息，將引導“天舟”與“天宮”完成三次“太空之吻”。

　　據(jù)團隊負責人吳嗣亮教授介紹，“天舟一號”微波雷達信號處理機與“天宮二號”微波應(yīng)答機信號處理機屬于空間交會對接微波雷達的第二代產(chǎn)品，相對于第一代產(chǎn)品，此次用于“天舟一號”和“天宮二號”的第二代產(chǎn)品有了新的發(fā)展。崔嵬教授介紹到，“產(chǎn)品增加了雙向通信功能，以保證“天舟一號”在對接任務(wù)中與“天宮二號”實時進行信息傳輸。同時，通過設(shè)計優(yōu)化，使第二代產(chǎn)品體積更小，重量更輕，功耗更低”。

　　天舟一號是一艘貨運飛船，然而它的功能卻不僅僅局限于貨物的運輸。此次天舟一號發(fā)射除了完成交會對接、為天宮二號空間實驗室補加燃料之外，它身上還攜帶了大量的實驗設(shè)備，在太空運行期間要進行多項實驗試驗。此次天舟一號上總共搭載了40臺設(shè)備，要進行13項太空實驗試驗，真正做到了一船多用。將要在天舟一號上進行的太空實驗，包括新型元器件在軌驗證，空間環(huán)境探測、力學環(huán)境測量，以及生命科學方面的實驗等涉及眾多領(lǐng)域。未來我國將要建設(shè)的空間站體積龐大，在太空運行過程中難免會受到太空碎片的撞擊。

　　貨運飛船是天地間運貨的工具，為我國未來空間站補充推進劑、空氣、食物以及用于維護空間站的更換設(shè)備，同時也被當作空間站的“垃圾桶”，用于回收空間站的廢棄物。貨運飛船在脫離空間站后，連同廢棄物一起在大氣層中燒毀。貨運系統(tǒng)是中國建成空間站需要突破和掌握的關(guān)鍵技術(shù)，是確保未來中國空間站在軌長期載人飛行的基本前提。

　　關(guān)于三次交會對接第一次：與去年天宮二號主動調(diào)整軌道和姿態(tài)迎接神舟十一號載人飛船交會對接不同，這次出于適應(yīng)未來空間站的需要，天舟一號要適應(yīng)天宮二號的位置進行軌道調(diào)整。第二次：天宮二號進行180度轉(zhuǎn)向，天舟一號通過全自主繞飛，從下方繞飛到天宮二號前方進行第二次交會對接。第三次：在6.5小時內(nèi)完成兩個航天器之間的交會對接。