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，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，中國電科都承擔了大量的研制和配套任務(wù)，負責測控通信系統(tǒng)設(shè)備、雷達探測設(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，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：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)激光雷達首次在空間環(huán)境應(yīng)用。這項技術(shù)當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)激光雷達在空間環(huán)境的首次應(yīng)用，多項技術(shù)指標填補國內(nèi)空白，綜合指標達到甚至超過世界先進水平。

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，毫無疑問承擔著“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。

“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，進行了大量的試驗，收集和掌握了數(shù)百萬個激光雷達一手數(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航天規(guī)范的技術(shù)流程和工藝規(guī)范。這些技術(shù)指標填補國內(nèi)空白，綜合指標達到甚至超過了世界先進水平，為我國激光雷達測試系統(tǒng)的未來發(fā)展和測試標準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的關(guān)鍵指標之一，對是否成功交會對接起到至關(guān)重要的作用。然而，我們所能進行的所有激光雷達試驗都是在地面，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，每一步都嚴格落實情況，全力以赴進行研發(fā)、試驗等各項工作，用嚴明的紀律，雷厲風行的作風，嚴謹科學的工作態(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，榮獲“中國載人航天工程突出貢獻集體”稱號。

手動交會對接背后的精準測控通信

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。

“航天員手控精準完成飛船與天宮的交會對接，這是真正意義上的駕駛飛船?！敝袊娮涌萍技瘓F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、飛船進行遙控、通信以及聽診。”

“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，確認天宮一號和神舟九號的對接口位置，要準確對準，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行測量。神七成功發(fā)射后，我們對地面站測控設(shè)備進行了一次大改造，神九的設(shè)備速度更快、測量精度更高?！标惤裾f。

“時間對于測控系統(tǒng)來說是非常嚴格的。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到8公里/秒左右，軌道越高，它的速度就越高。時間如果不準，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，這就相當于日常的對表。“這個表的精度有多高呢？是10的11次方。大約相當于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。“民用的1P網(wǎng)絡(luò)在進行數(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。”中國電科高級工程師盧華斌說，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?！熬拖窦依锏目照{(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)電能力達到國際先進水平，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擔。

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)出了比進口定向儀功能更齊全、技術(shù)更先進的機載定向儀，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，對目標進行捕捉、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行處置，同時肩負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）