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射場成功點火升空,開始執行為期5個多月的太空飛行任務。任務中,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、繞飛至前向對接技術及自主快速交會對接技術。

經過一天多的飛行,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日發射入軌以來,首次與貨運飛船進行的交會對接。

 

太陽耀斑發生時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受到破壞。如果中國已經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——中國空間站的相關研制和應用正在進入快車道。

據統計,有多款來自中國芯的設計與應用技術在“天舟一號”任務中得以應用,一起來認識下吧。據北京晨報報道,為了帶動元器件自主研制,加速實現元器件的自主可控,提前驗證空間站中所用的關鍵元器件,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新研核心元器件,將未來空間站建設的關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100V DC/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遍布電子控制系統中,中國電科研發的抗輻射加固1553B總線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家羅洪介紹,“數字光模塊好比人的神經系統,控制著數據的發送、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、交匯對接時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,一直制約飛船發展。“在未來空間站的建設中,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勢,實現了產品的抗輻照、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。

在天舟一號的推進艙和貨物艙內遍布電子控制系統中,中國電科研發的抗輻射加固1553B總線控制器在天舟數管分系統得以應用,以實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“神經網絡”,發出無數的支線數據命令,實現各個神經、器官的數據通信,共同完成天舟的各種動作。

針對芯片中的存儲器、觸發器等薄弱、敏感單位,該集團進行了邏輯層面的抗輻射加固設計,同時在版圖設計中進行單獨全定制設計,實現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%全國產自主研發的10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器這些關鍵“神經元”,實現了核心器件自主可控。

其中,傳感器遍布飛船的熱控、推進、環控生保等分系統,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,可實現環境監測與控制及飛行姿態調整等。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%全國產自主研發的10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器這些關鍵“神經元”,實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”。經過相關單位的多次實驗和努力,中國交會對接設備突破了多項技術,性能明顯優于國際同類產品,處于國際領先水平。

“在對接過程中,兩個飛行器飛行速度為7.9公里/秒(小編注:這個應是錯誤的理解,應該看相對速度!),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發出激光束,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品增大了兩倍以上,實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鍵組件,即使是在太空中漆黑無界,它也能發出激光,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。”

“在本次航天任務中,激光信息源面臨著在軌時間長、使用次數多、對接速度快和在陽照區環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,結合航天實際應用進行產品原理和工藝的全新設計,進行了完整、充分的相關環境試驗,經過2000多次的試驗,最終研制出第三代產品,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”交會對接任務中,發射指揮中心可通過航天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,并向飛船發送指令,保證任務執行。

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,過去由于通信通道相對狹窄,飛船在調整姿態進行對接、分離等技術動作時,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勢是測控覆蓋范圍大,能夠實現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輻射環境測量載荷將進行粒子輻射環境探測及元器件輻射效應監測,對相關元器件在經受空間輻射考驗后的“身體狀況”進行“診斷”。

據航天513所山東航天空間載荷中心粒子探測組技術負責人劉金勝介紹稱,艙內輻射環境測量裝置能夠測量空間中的輻射環境以及元器件在空間輻射效應中的正常工作狀態,判斷這個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品應用于飛船多個分系統,為各系統穩定運行發揮關鍵作用。

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。

據上海航天技術研究院對接機構專家靳宗向介紹,“天舟一號”比載人飛船重很多,相比載人船上的對接機構,此次貨運飛船上的對接機構特別增加了一些緩沖裝置,控制器和驅動器也進行了相應的升級。

第二代對接機構必須適應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。

上海航天的設計師們通過大量的技術攻關和方案論證,提出了可控阻尼的控制思路。這項設計經過可控阻尼器單機產品、改進型傳動緩沖對接機構產品以及分系統級的整機、緩沖等全覆蓋的考核措施,滿足本次及后續任務的需求。

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

上海航天技術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次發射任務中,上海航天承擔的任務均取得了圓滿成功,特別是歷經多年研制的對接機構在確保任務成功中發揮了關鍵作用。

而在后續載人航天任務中,除了載人飛船、貨運飛船、空間實驗室等任務以外,上海航天還承擔了空間站實驗艙Ⅱ總體任務,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,光學艙系統能源功能、對接子功能、測控通信設備等研制任務。

在“天舟一號”電子控制系統中,位于無錫市濱湖區蠡園開發區的中科芯(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,而這兩款芯片就像“神經網絡”,發出無數條支線數據命令,連接飛船各個“器官”間的數據通信,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”以及部分民用產品,顯示出出眾的穩定性和可靠性。研發團隊憑此申請了20多項專利。

抗輻射是科研人員在芯片設計中遇到的一大難題。據研發人員蔡潔明介紹,高軌太空的輻射環境十分惡劣,芯片如果不能抵御輻射,就會發出錯誤命令和數據,可能造成飛船功能失常或運行失誤。

研發期間,蔡潔明和同事每周加班二三十個小時,兩年艱苦攻關,前后四易方案,終于使芯片抗輻射數據達到設計要求。經過抗輻射加固的芯片就像肌肉發達的“拳擊手”,能承受來自各個方向、各種距離的帶電粒子、質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、品種數最多、功率覆蓋最全的系列產品,產品技術指標鑒定為“國際領先”水平,具有首創意義,提升了我國供電母線體系的整體水平。

據中國電科43所相關研發人員介紹,為完成本次任務,中國電科43所經受了兩大考驗,首先,在長征七號運載火箭第一次執行正式發射任務中,研制生產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定可靠的電能源轉換。

其次,為“天舟一號”飛船研制生產了系列化宇航級的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”科學試驗衛星01星,是我國采用貨運飛船搭載方式首次發射的對地觀測微納衛星。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圖像所與航天五院513所聯合研制。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。

科學試驗衛星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、西安航天天繪數據技術有限公司、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,質量不超過4.5千克,設計軌道高度400公里,具備光學遙感對地觀測能力,是“絲路微小衛星群對地觀測系統”的首發星,擔負著系統技術體制驗證任務。

絲路微小衛星群計劃發射30顆以上的微納衛星,可以提供全色、多光譜、高光譜等多種類型的遙感影像并具備增強導航功能。衛星通過組網可以將重訪周期縮短至1天,徹底改變遙感衛星重訪周期長、產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對接微波雷達的第二代產品,相對于第一代產品,此次用于“天舟一號”和“天宮二號”的第二代產品有了新的發展。崔嵬教授介紹到,“產品增加了雙向通信功能,以保證“天舟一號”在對接任務中與“天宮二號”實時進行信息傳輸。同時,通過設計優化,使第二代產品體積更小,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,空間環境探測、力學環境測量,以及生命科學方面的實驗等涉及眾多領域。未來我國將要建設的空間站體積龐大,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。貨運系統是中國建成空間站需要突破和掌握的關鍵技術,是確保未來中國空間站在軌長期載人飛行的基本前提。