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解密北斗“成长之路”,这些瞬间很硬核!

冯杰

2020年10月10日 02:10

央视新闻客户端(2020年10月9日)

二十世纪80年代,我国开始探索建设自己的卫星导航系统。2020年,北斗三号系统建成,对全球用户提供服务。在北斗建设的历程中,遭遇了哪些难题?当一款芯片放大两万倍,北斗人看见了怎样的瑕疵?北斗系统服务全球的背后,又经历了怎样的波折和惊险时刻?《新闻调查》记者来到北斗卫星的主要研制单位中国空间技术研究院,带你“解密”北斗。

解密一个罕见的画面:

北斗卫星太阳翼展开瞬间 这个“首次”太难得

中国空间技术研究院隶属于航天科技集团,又被简称为航天科技集团五院,它成立于1968年,首任院长是著名科学家钱学森。我国1970年发射的第一颗人造地球卫星“东方红一号”就出自这里。

范本尧院士是我国卫星事业发展的见证者之一。北斗三号最后一颗组网卫星发射过程中的一个细节,令这位资深的卫星专家耳目一新。

中国工程院院士、航天科技集团五院北斗一号总设计师范本尧:星箭分离以后看到太阳翼展开,这个画面我们也是第一次看到,以前都拍不着。

范本尧院士所说的第一次看到的画面,就是2020年6月23日,我国发射北斗系统第五十五颗导航卫星,也就是北斗三号最后一颗全球组网卫星时,全国亿万观众第一次从直播画面中看到了卫星与火箭分离后,太阳翼像卫星的两个翅膀一样展开的全过程。

太阳翼是卫星的主要部件之一,又叫太阳能帆板,它是卫星上收集太阳能的装置,也就是卫星的能量来源。以往,北斗卫星上的太阳翼都是在火箭与卫星分离30多分钟后才打开。到那时,卫星独自遨游在太空,地面的人根本无法看到太阳翼展开的全过程。

说起我国掌握卫星太阳翼展开的技术,时光还得回到将近40年前。那时,中国的改革开放刚刚开始,北斗工程还没有上马,但中国的卫星事业还在国际合作中慢慢积累经验。但很多国家都只卖东西封锁技术。面对与国外的差距,科研人员增强了追赶世界先进水平的紧迫感。

从2006年开始做国产化替代研究,2014年在北斗第一次使用。如今,将近40年过去了。在航天科技集团五院所属的529厂,中国的工人们已经开始批量生产国产的卫星太阳翼了。

解密一次“惊险”的攻关:

攻克北斗二号关键技术难题 最后时刻“压哨得分”

2000年,随着北斗一号卫星导航系统的建成,我国用最少的卫星、最小的投入,解决了国内区域卫星导航从无到有的问题。此后,我国开始将卫星导航系统建设走出自己的版图,着手建设覆盖亚太地区的北斗二号系统。

茫茫太空看似无边无际,但由于人类的技术水平和开发运行成本的限制,适用于卫星导航的轨道和频率资源实际上是有限的。为了规范太空秩序,各国发射导航卫星之前必须向国际电联申请各自的频段。这时,为建设北斗二号,我国向国际电信联盟申请新的太空频率资源。

国际电联规定,各国均有权申请频率资源使用权,但必须在7年有效期内发射导航卫星,并成功接收传回的信号,否则占有频率的权利便自动失效。2000年,4月17日,国际电联正是受理申请,2007年4月17日24点,是发射首颗北斗卫星并回传信号的最后期限。

七年的发射倒计时开启,北斗人面临的是艰巨的科研攻关任务:比如,美国的导航系统覆盖全球,是因为他们在全球建立了地面基站,而我国一时还无法解决在全球建立地面基站的问题;此外,决定导航卫星定位精确度的原子钟技术也还没有攻克……

其实,在开始建设北斗工程时,中国已经可以生产原子钟,但是它是否能够经历火箭发射时的巨大震动以及太空真空环境下的考验还是一个未知数。正因为如此,北斗一号上的原子钟还依赖进口:在开始北斗二号建设时,中国转而向欧洲购买原子钟,但在价格、精度和稳定性上都得不到满意的结果。因此,原子钟国产化的进程势必要进一步加速。

国产原子钟在真空状态下能不能正常工作?如何保证他的稳定性?都需要经过反复实验。距离频率失效的最后期限越来越近,时间紧迫,当年测试环节自动化水平还很低,测试人员必须连轴转,需要不眠不休地紧盯着相关的数据进行人工记录。

2007年4月8日,随着包括铷原子钟在内的许多技术难题被一一攻克,北斗二号首发星迎来了预定发射的日子!但在在临近发射还有8天时,科研人员在最后一次卫星和火箭联合检查时发现,卫星上的一台应答机出现了问题。

航天科技集团五院北斗三号卫星总体主任设计师丛飞:它在整流罩里,如果要打开的话,8个锣栓都要松开很困难,把整流罩打开也很困难。此外因为卫星在火箭的三级,把整流罩打开之后,还得把卫星的舱板子掀开,卫星表面包了好多层,包括热控的一些东西都得扒掉才能把板子露出来。

拆装有风险的,时间又非常紧迫。经过3天的慎重研判,应答机从卫星上被拆下,之后,经过72小时的修复和检测,问题得以彻底解决。不过,火箭发射的时间因此被推迟到了2007年4月14日。此时,距离我国申请的太空频率资源失效的日期仅仅相差3天时间。

2007年4月17日20时许,北京清晰地接收到来自这颗卫星的信号。那一刻,距离频率失效的最后期限4月17日24点已经不到4个小时。

中国北斗在最后时刻就如同篮球场上的压哨得分,惊险地拿到了进军全球卫星导航系统俱乐部的“入场券”。

解密一次苛刻的技术筛查:

放大2万倍查找芯片瑕疵 严把质量关提高国产化率

任何技术的创新和实现都离不开硬件的支持。在北斗建设的历程中,卫星的重要部件以及元器件的国产化水平不断提高。但事实上,科研人员起初对于进口产品在心理上都存在着某种依赖,但随着北斗工程的国际影响日益扩大,国外的技术封锁也在加剧,重要部件实现国产化势在必行。同时,让他们下定决心要推进国产化的另一个原因是,即便是可以进口的少量部件,国外的某些产品并不能完全满足北斗卫星的技术要求。

在国产化不断提高的过程中,为卫星上的元器件把好质量检验关就显得尤为重要。

为此,航天科技集团五院于1984年成立了宇航物资保障事业部,它成为中国最早成立的宇航元器件质量保证的专业机构,如今,它每年为上千万只航天元器件提供质量保证。航天科技集团五院宇航物资保障事业部宇航元器件应用验证副总指挥孙明向记者展示了他们对一款国产芯片采用的近乎苛刻的“基因筛查”技术。

航天科技集团五院宇航物资保障事业部宇航元器件应用验证副总指挥孙明:我们把芯片中的一只打开帽,开帽后,用16倍放大,可以看到这个图,我们接着放大,在100倍的时候,大家看,我们已经看到一些明显的缺陷了。这两个丝有可能碰到,碰到就会在我们应用过程中短路。

再往下,进入内部缺陷的查找,对容易出问题的一个点进行250倍的放大,再到750倍、2200倍、20000倍,最后看到有一个孔洞,有一个裂纹。这种缺陷在工作一段时间后,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

据了解,为了让北斗三号卫星导航系统早日开通服务,全国400多家单位,30多万科技人员先后参与其中,先后攻克了包括星间链路、高精度原子钟在内的160多项关键核心技术,在500多种元器件和重要部件国产化研制上实现了突破。

目前,北斗三号卫星系统的核心器部件国产化率已经达到了100%。

如今,全国30多万北斗建设的参与者所走过的奋斗历程已被归纳成“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的新时代北斗精神,成为了镌刻着时代铬印的精神财富。


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2020年10月10日 10:03
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