天舟一號采用七大類(lèi)國產(chǎn)核心元器件

　　4月20日19時(shí)41分，我國首艘搭載著(zhù)“天舟一號”貨運飛船的長(cháng)征七號遙二火箭在海南文昌發(fā)射場(chǎng)成功點(diǎn)火升空，開(kāi)始執行為期5個(gè)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(shí)施三次交會(huì )對接，這在我國航天歷史上還是第一次。三次交會(huì )對接主要目的是驗證貨運飛船的能力、繞飛至前向對接技術(shù)及自主快速交會(huì )對接技術(shù)。

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

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　　俄羅斯衛星網(wǎng)援引《航空全景》雜志主編、莫斯科航空學(xué)院專(zhuān)家謝爾蓋·菲利片科夫的話(huà)稱(chēng)：“中國在走蘇聯(lián)走過(guò)的路。但(中國飛船的)機載設備要好得多，所采用的數字化技術(shù)在無(wú)人和載人航天領(lǐng)域都有很大前景。同時(shí)也存在一些問(wèn)題。太陽(yáng)耀斑發(fā)生時(shí)宇宙空間存在電離輻射，即便是近地軌道上的電子設備也會(huì )收到破壞。如果中國已經(jīng)有這種可靠的微芯片結構，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(zhù)未來(lái)十年后世界上唯一的一個(gè)太空之城——中國空間站的相關(guān)研制和應用正在進(jìn)入快車(chē)道。

　　據集微網(wǎng)統計，有多款來(lái)自中國芯的設計與應用技術(shù)在“天舟一號”任務(wù)中得以應用，一起來(lái)認識下吧。(如有遺漏，歡迎補充)據北京晨報報道，為了帶動(dòng)元器件自主研制，加速實(shí)現元器件的自主可控，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(lèi)國產(chǎn)新研核心元器件，將未來(lái)空間站建設的關(guān)鍵命脈牢牢握在手中。

　　在“天舟一號”中的數字信號傳輸模塊，10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器，國內首款應用頻率達到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(shí)，在天舟一號的推進(jìn)艙和貨物艙內遍布電子控制系統中，中國電科研發(fā)的抗輻射加固1553B總線(xiàn)控制器在天舟數管分系統也得以應用。

　　據中國電科數字光模塊專(zhuān)家羅洪介紹，“數字光模塊好比人的神經(jīng)系統，控制著(zhù)數據的發(fā)送、傳遞、接收。比如飛船從宇宙空間采集到的圖像數據、地面控制臺與飛船之間的通話(huà)、交匯對接時(shí)的傳感數據都是由數字信號傳輸光模塊完成。”據悉，以往飛船通常應用銅纜傳輸信號，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(diǎn)，一直制約飛船發(fā)展。“在未來(lái)空間站的建設中，由于數據吞吐量的急劇加大，不采用數字信號傳輸光模塊，空間站將不堪重負。”

　　羅洪表示，數字信號傳輸光模塊與傳統銅纜傳輸系統相比，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(shí)現了產(chǎn)品的抗輻照、小型化、溫度適應性強、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備的小體積與小重量設計需求，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(jìn)艙和貨物艙內遍布電子控制系統中，中國電科研發(fā)的抗輻射加固1553B總線(xiàn)控制器在天舟數管分系統得以應用，以實(shí)現數據命令的可靠傳輸及部分設備的有效控制，猶如天舟一號的部分“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )”，發(fā)出無(wú)數的支線(xiàn)數據命令，實(shí)現各個(gè)神經(jīng)、器官的數據通信，共同完成天舟的各種動(dòng)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(jìn)行了邏輯層面的抗輻射加固設計，同時(shí)在版圖設計中進(jìn)行單獨全定制設計，實(shí)現了最終抗總劑量能力達到國際先進(jìn)水平。

　　同時(shí)，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(shí)現了核心器件自主可控。其中，傳感器遍布飛船的熱控、推進(jìn)、環(huán)控生保等分系統，配套種類(lèi)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(shí)現環(huán)境監測與控制及飛行姿態(tài)調整等。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據的高速雙向傳輸，保證飛船在軌運行期間數據傳輸的穩定性和可靠性。

　　此外，該集團研制的國內首款應用頻率達到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(xiàn)電壓提升到100V，有效提升了載荷能力和供電總效率。

　　同時(shí)，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(shí)現了核心器件自主可控。此外，該集團研制的國內首款應用頻率達到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(xiàn)電壓提升到100V，有效提升了載荷能力和供電總效率。

　　據了解，激光交會(huì )對接雷達和光學(xué)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(jìn)行交會(huì )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(gè)高速運行的飛行器更加迅速、可靠地對接在一起。

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

　　“在對接過(guò)程中，兩個(gè)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(huì )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(guò)程，是由安裝在飛船上的激光雷達系統發(fā)出激光束，激光束照射到天宮二號上后返回信號，激光雷達系統再根據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、角度等飛行參數的測量，確保飛船進(jìn)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(lèi)產(chǎn)品增大了兩倍以上，實(shí)現了全范圍內高精度測量跟蹤。

　　天宮二號與天舟一號在太空中要經(jīng)過(guò)幾十萬(wàn)公里的追逐，完成“穿針引線(xiàn)”般的精準對接，從二者距離150m開(kāi)始直到最終完成精準對接整個(gè)過(guò)程中，有一個(gè)被譽(yù)為“靈敏眼睛”的光學(xué)成像敏感器，該設備能讓兩個(gè)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(xué)成像敏感器的關(guān)鍵組件，即使是在太空中漆黑無(wú)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(yáng)強光的直射時(shí)，它也能發(fā)射出比陽(yáng)光更加明亮的雙波長(cháng)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(zhù)在軌時(shí)間長(cháng)、使用次數多、對接速度快和在陽(yáng)照區環(huán)境實(shí)施對接等多重考驗，對接精度必須精確到毫米級，可以說(shuō)，交會(huì )對接難度非常大。”基于此，中國電科的項目團隊在有限的時(shí)間內，結合航天實(shí)際應用進(jìn)行產(chǎn)品原理和工藝的全新設計，進(jìn)行了完整、充分的相關(guān)環(huán)境試驗，經(jīng)過(guò)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(jìn)水平。而這個(gè)過(guò)程可謂艱辛。

　　在“天舟一號”貨運飛船與“天宮二號”交會(huì )對接任務(wù)中，發(fā)射指揮中心可通過(guò)航天513所研制的寬波束中繼測控系統搭建的天基測控通信系統，隨時(shí)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)執行。

　　據航天513所“天舟一號”寬波束中繼測控終端主管設計師張舉介紹，過(guò)去由于通信通道相對狹窄，飛船在調整姿態(tài)進(jìn)行對接、分離等技術(shù)動(dòng)作時(shí)，與中繼衛星極有可能出現信號中斷現象，而寬波束中繼測控系統最大的優(yōu)勢是測控覆蓋范圍大，能夠實(shí)現更大范圍的中繼測控。與此同時(shí)，由航天513所山東航天空間載荷中心研制的艙內輻射環(huán)境測量載荷將進(jìn)行粒子輻射環(huán)境探測及元器件輻射效應監測，對相關(guān)元器件在經(jīng)受空間輻射考驗后的“身體狀況”進(jìn)行“診斷”。

　　據航天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(chēng)，艙內輻射環(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中的正常工作狀態(tài)，判斷這個(gè)元器件是否能在空間中穩定運行，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)品應用于飛船多個(gè)分系統，為各系統穩定運行發(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(jìn)艙兩個(gè)艙段組成，其中推進(jìn)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(dòng)力、能源和通信功能，同時(shí)為空間站提供推進(jìn)劑補加服務(wù)。

　　據上海航天技術(shù)研究院對接機構專(zhuān)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，此次貨運飛船上的對接機構特別增加了一些緩沖裝置，控制器和驅動(dòng)器也進(jìn)行了相應的升級。第二代對接機構必須適應未來(lái)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(huì )產(chǎn)生巨大的對接能量，對于對接機構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)。上海航天的設計師們通過(guò)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。這項設計經(jīng)過(guò)可控阻尼器單機產(chǎn)品、改進(jìn)型傳動(dòng)緩沖對接機構產(chǎn)品以及分系統級的整機、緩沖等全覆蓋的考核措施，滿(mǎn)足本次及后續任務(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(huì )對接、進(jìn)入組合體飛行模式后，推進(jìn)系統補加驅動(dòng)器將在六個(gè)月的空間實(shí)驗室任務(wù)中開(kāi)展補加功能的試驗驗證工作。組合體飛行過(guò)程中，上海航天技術(shù)研究院研制的推進(jìn)控制驅動(dòng)器將執行控制系統指令，控制所有發(fā)動(dòng)機和管路閥門(mén)，對組合體進(jìn)行姿態(tài)和軌道控制。

　　上海航天技術(shù)研究院院長(cháng)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(mǎn)成功，特別是歷經(jīng)多年研制的對接機構在確保任務(wù)成功中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

　　而在后續載人航天任務(wù)中，除了載人飛船、貨運飛船、空間實(shí)驗室等任務(wù)以外，上海航天還承擔了空間站實(shí)驗艙Ⅱ總體任務(wù)，空間站系統的對接機構、電源分系統及非密封艙結構與總裝、測控通信設備，光學(xué)艙系統能源功能、對接子功能、測控通信設備等研制任務(wù)。

　　在“天舟一號”電子控制系統中，位于無(wú)錫市濱湖區蠡園開(kāi)發(fā)區的中科芯(58所)貢獻兩款核心芯片，控制飛船的動(dòng)作，無(wú)論捕獲、緩沖還是拉近，可以做到毫厘不差。

　　據中科芯的工程師介紹，“天舟一號”電子控制系統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(wú)數條支線(xiàn)數據命令，連接飛船各個(gè)“器官”間的數據通信，控制飛船完成各種高難度的動(dòng)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，顯示出出眾的穩定性和可靠性。研發(fā)團隊憑此申請了20多項專(zhuān)利。

　　抗輻射是科研人員在芯片設計中遇到的一大難題。據研發(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(huì )發(fā)出錯誤命令和數據，可能造成飛船功能失?；蜻\行失誤。研發(fā)期間，蔡潔明和同事每周加班二三十個(gè)小時(shí)，兩年艱苦攻關(guān)，前后四易方案，終于使芯片抗輻射數據達到設計要求。經(jīng)過(guò)抗輻射加固的芯片就像肌肉發(fā)達的“拳擊手”，能承受來(lái)自各個(gè)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”的運載系統和飛船系統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(gè)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(xiàn)體系的整體水平。

　　據中國電科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(cháng)征七號運載火箭第一次執行正式發(fā)射任務(wù)中，研制生產(chǎn)了多款專(zhuān)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定可靠的電能源轉換。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(xiàn)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(xué)試驗衛星01星，是我國采用貨運飛船搭載方式首次發(fā)射的對地觀(guān)測微納衛星。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(xué)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(xué)圖像所還承擔了“天宮”與“天舟一號”對接系統中遙操作攝像機數字視頻編碼和解碼設備的研制工作。

　　科學(xué)試驗衛星01星，具有體積小、重量輕、功能密度高的特點(diǎn)，搭載著(zhù)總重量不超過(guò)1千克的輕小型可見(jiàn)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(diǎn)實(shí)驗室、西安航天天繪數據技術(shù)有限公司、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所、西安電子科技大學(xué)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(guò)4.5千克，設計軌道高度400公里，具備光學(xué)遙感對地觀(guān)測能力，是“絲路微小衛星群對地觀(guān)測系統”的首發(fā)星，擔負著(zhù)系統技術(shù)體制驗證任務(wù)。

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

　　此外，由北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)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”微波應答機信號處理機，為“天舟”、“天宮”提供精確的相對位置和運動(dòng)參數測量信息，將引導“天舟”與“天宮”完成三次“太空之吻”。

　　據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”微波應答機信號處理機屬于空間交會(huì )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(shí)時(shí)進(jìn)行信息傳輸。同時(shí)，通過(guò)設計優(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(huì )對接、為天宮二號空間實(shí)驗室補加燃料之外，它身上還攜帶了大量的實(shí)驗設備，在太空運行期間要進(jìn)行多項實(shí)驗試驗。此次天舟一號上總共搭載了40臺設備，要進(jìn)行13項太空實(shí)驗試驗，真正做到了一船多用。將要在天舟一號上進(jìn)行的太空實(shí)驗，包括新型元器件在軌驗證，空間環(huán)境探測、力學(xué)環(huán)境測量，以及生命科學(xué)方面的實(shí)驗等涉及眾多領(lǐng)域。未來(lái)我國將要建設的空間站體積龐大，在太空運行過(guò)程中難免會(huì )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(lái)空間站補充推進(jìn)劑、空氣、食物以及用于維護空間站的更換設備，同時(shí)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(lái)中國空間站在軌長(cháng)期載人飛行的基本前提。

　　關(guān)于三次交會(huì )對接第一次：與去年天宮二號主動(dòng)調整軌道和姿態(tài)迎接神舟十一號載人飛船交會(huì )對接不同，這次出于適應未來(lái)空間站的需要，天舟一號要適應天宮二號的位置進(jìn)行軌道調整。第二次：天宮二號進(jìn)行180度轉向，天舟一號通過(guò)全自主繞飛，從下方繞飛到天宮二號前方進(jìn)行第二次交會(huì )對接。第三次：在6.5小時(shí)內完成兩個(gè)航天器之間的交會(huì )對接。