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让世界用上“中国时间”

——300万年差一秒是航天人追求的“精度”
来源:当代陕西 发布时间:2024-08-07 16:06 作者:本刊记者 冯雪峰

6月25日,嫦娥六号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗指定区域安全着陆。嫦娥六号探测器完成了世界首次月球背面采样返回。中国航天科技集团五院西安分院为嫦娥六号研制的关键系统产品,以及为鹊桥二号中继星研制的全部有效载荷以步步精心的全程护航,确保嫦娥六号探测器成功完成采样返回。

从1970年我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射,到嫦娥六号探测器完成世界首次月球背面采样返回。

从“两弹一星”工程到载人航天工程、北斗导航工程、火星探测工程……众多国家重大工程背后都有航天五院西安分院的身影。

“我国重大的航天工程项目基本上都有我们的参与,迄今为止,西安分院共参与了400余次星船的发射。在完成国家重大工程任务中的过程中,西安分院党委的把方向、管大局、保落实的领导作用,党支部的战斗堡垒作用和党员的先锋模范作用得到充分彰显。”航天五院西安分院党委书记沈大海介绍,西安分院几代航天人,扎根航天事业,用深邃的航天蓝为鲜红的党旗增辉。从1965年成立至今,西安分院人将数万台套卫星有效载荷,“发货”到太空,用群星耀苍穹的壮丽来践行初心、担当使命。

科学试验是个“体力活”

嫦娥系列有效载荷,经过多次升级改造,成就了人类探测器首次在月球背面实施的样品采集任务的圆满完成。月背极寒之地上的成功,是中国航天人挥洒汗水的结果。

七月的西安,骄阳似火。

盛夏之时,普通市民总爱和家人朋友在秦岭各峪口找块阴凉地避暑。微波测距测速敏感器主任设计师张爱军也到了秦岭,但他找的是空旷地,一同上山的是重达数吨的“老铁”。

西安分院探月工程任务科研人员进行外场实验

嫦娥三号探测器的任务之一要实现在月球软着陆,这是我国首次地外天体软着陆和巡视探测。实现软着陆,雷达很重要,就像汽车倒车影像,能直感受到对地距离,距离远给油,距离近刹车。但在38万公里外的月球表面,并不是“一脚油”就能解决。

“雷达在着陆器距离月球表面15公里的时候正式开始工作,主要任务是测量着陆器与月球表面的距离以及着陆器下降的速度,并快速向上升器的制导、导航与控制分系统提供速度和距离的信息,以便于着陆器来判断降落的落点和速度。”张爱军说。

第一次月球软着陆,地面状况难证实。探测器离月球地面的距离多少,下降速度多少,为防止撞击反推动力多大,反推动力产生的震动对设备产生的影响……这些都要反反复复的去试验。

数据是枯燥的,成千上万次重复一个数据更是会让人麻木。但他们在烈日下,不停地上山下山,反复试验,收集数据。与产品要经历的复杂外场试验一样,参与微波测距测速敏感器的研制人员也要经历艰苦的外场试验环境,经受意志上的考验。

和设备同上山的还有两面旗,一面党旗,一面写有“遥安铁军”的旗。

不得有丝毫差错,他们抱的是一击必中的决心。搭帐篷、宿山林,顶烈日、经风雨,为了“大国重器”,这点磨难都可一笑而过。

所得的数据,所做的产品,用嫦娥总工程师的原话说是“保命的”。遥测出了问题,着陆时一头栽进月壤,一切都归零。

带着这样的使命,张爱军和团队用整个盛夏完成了设备的试验。当设备飞到38万公里外的月球表面出色完成了任务,也为之后的更多探月任务的成功打下了基础。

月球是真空环境,数据传输实时返回。而到了火星,一切又变得复杂起来。“月球的真空环境下,飞行器着陆的姿态相对平稳;火星是有大气的环境,有沙尘暴等极端天气情况,所以难度要大得多。”张爱军说。

为了研制、测试天问一号有效载荷,张爱军和同事们,这次向甘肃北部的戈壁滩进军。

一望无际的戈壁滩,与火星环境相似,环境恶劣不适合人类久居,但设备必须在此环境下长时间生存。

在近50℃的高温下,为模拟沙尘暴,借来农民的大塑料桶,将设备放入其中,扬着沙子、开着风扇吹。

几十轮实验下来,设备经住了考验,人体器官也经住了考验。“一轮试验半小时,嘴巴、鼻孔、耳朵里都灌满了沙。”张爱军说话间下意识地摸了摸鼻子。

这支微波测距测速敏感器研制团队,以“80后”为主力,坚持把产品的性能指标和安全可靠做到极限。落月、落火的那一刻,他们都格外平静,“所有问题都在地面得到解决,我们对产品非常有信心,除了成功没有其他可能性”。

科研人员也讲“师承”

2020年7月31日, 北斗三号全球卫星导航系统正式开通。这标志着中国北斗“三步走”战略的圆满收官。从此,中国的“北斗”迈进了向全球提供服务的崭新时代!

北斗导航卫星最核心的产品是星载铷原子钟,导航卫星定位和授时的准确性都由它直接决定,是北斗导航卫星的“心脏”。精准的时间,精确的定位,这个完全自主控制的精密时空基准,是数字时代的国之重器。

西安分院火星探测任务科研人员进行技术讨论

航天五院西安分院是我国第一台星载铷钟的诞生地,贺玉玲作为星载高精度时频技术团队负责人、首席科学家,已经为星载高精度铷钟研制奋斗了多年。如今铷钟精度做到300万年差一秒,水平世界领先。

初到航天五院西安分院,贺玉玲遇到一位好老师:“一开始,我就是跟着雷师傅调电路,整整调了3个月。”在工作中,雷文琦如果发现产品有一项指标问题,便会把产生问题的原因、过程、结果都要搞清楚才会放手,做到问题了然于胸,产品百分百完美。

雷文琦在教导贺玉玲时也是这样做的,师徒联手“问诊把脉”,确保“尽善尽美”。贺玉玲学会了遇到问题首先眼睛向内看,找自己的问题。

从理论到产品,再到任务实施中的表现,每一步都是不容易的。 “星载铷钟在我国很早就有应用,但完全国产化、达到世界先进的过程还是很艰难的。”研制铷钟初期的艰辛,贺玉玲难以忘怀。

试验首先得有一个跟太空一模一样的真空环境。“院里投资了真空罐,我们把做好的铷钟放进‘模拟卫星’,连续测试。”测试伊始,铷钟进入试验仓出现异常,性能指标完全不达标。

在地面,对流的空气可以帮助铷钟散发热量,但在真空环境下,只能靠传导、辐射来散热。

“为了克服这个难题,我们就得不断地改进设计、改进产品结构,想尽办法来协助它散热。” 贺玉玲做着大量的试验。

每一个错误都必须条分缕析地把原因一个个地找出来,这个过程不仅耗时、熬精力,还不能放过任何的蛛丝马迹。

不能“带伤”上天,不能暗藏隐患。

铷钟不会说话,一旦“说话”,就是失常,就说明有了问题。“必须搞清楚它里面的每一个细节,它的机理、工作模式、退化机制,等把所有问题都研究透了,才能确保铷钟长期工作,让卫星长期在轨道上稳定运行。”贺玉玲在老师身上学到的那股“执拗”,最终用到了自己身上。

让世界用上“中国精度”。每想到这一点,贺玉玲就觉得所有的付出都值得。

星载铷钟如今已在中国批量生产,达到世界先进水平。

2023年,以贺玉玲为技术带头人的“星载高精度时频技术团队”荣获 “中国青年女科学家团队奖”表彰。

青马计划、曙光计划、磐石计划,青年员工理论实践双导师、一人一策建立培养目标书…… 航天五院西安分院一系列的举措,充满了对科研人员的尊重。

“航天五院西安分院见证了我国空间技术与航天事业发展的进程,航天精神在这里生根、发芽,激励着一代代航天人勇敢追梦、勇担强国使命。”航天五院西安分院院长谭小敏介绍。

从跟跑到领跑

微波接收机是应用广泛的卫星通用产品,在卫星有效载荷系统中占据举足轻重的作用。目前我国研制的所有卫星、飞船和探测器都要使用微波接收机。卫星接收到的所有微波信号都要通过微波接收机进行变频、滤波、转发、放大,最终通过卫星天线进行信号传输。

无论是在北斗全球卫星导航系统中的规模应用,载人航天工程任务搭建“太空天路”,或是为月球探测的轻盈落月和交会对接任务实现信号传输,小型化微波接收机在我国重大航天工程任务的实施中屡建新功。

周斌是一名技术人员,也是他所在党支部的支部书记,在执行一次微波接收机上星任务时“闯了祸”。

微波接收机已经安装至卫星,卫星整体产品在北京准备出厂,择机发射。送出产品,周斌在做这次任务总结,过程中发现,个别数据有偏差。“怎么会有小偏差?”“是哪里的问题?”周斌不断演算,不断验证。

结果出来了!问题不大,不会影响功能,产品可换可不换。

周斌心里泛起了十分激烈的斗争。

取回设备,重新修正,整颗卫星的发射时间都要改变。直接发射,终究不是完美产品,到了太空是否会有其它变量?

开组会。

再验证。

……

飞北京。

不完美的产品要撤,不能“带伤”上天。这是来自科学家的执拗,是一名党员对于初心的坚守,也是航天五院西安分院人的作风。

6月25日,嫦娥六号任务圆满成功后,工作人员在北京航天飞行控制中心合影。  新华社/供图

如今,航天五院西安分院第四代微波接收机无论是从产品的规格、核心技术指标还是研制流程上都有了跨越式的提升。从产品重量和体积等上来看,第三代微波接收机的重量在1千克左右,而第四代微波接收机的重量只有0.3千克左右,减重约三分之二,体积也缩小了五分之二。从技术指标上看,第四代小型化微波接收机实现了飞速提升,达到国际领先水平,实现了从跟跑国外到领跑世界的跨越。

举办青年创新论坛、组织高水平科技自立自强讨论大会、持续开展“青创空间站”活动、设立“杰出青年人才基金”支持创新研究,航天五院西安分院的环境氛围让人有一种 “你只需做好本职工作,剩下的交给我”的归属感。

“航天五院西安分院见证了我国空间技术与航天事业发展的进程,航天精神在这里生根、发芽,激励着一代代航天人勇敢追梦。”沈大海说。

也许是与载人航天任务笃定的缘分,严琪工作伊始就加入了天宫一号仪表控制器应用软件的研制队伍,作为主管设计师,严琪遇到的第一个“大活”就是编写在天宫一号上航天员使用的汉字输入法。

对于计算机出身的他来说,如果在地面的计算机中编写一个这样软件不是很难的事情,但是由于天宫一号上所使用的仪表控制器应用软件属于嵌入式软件,并且可以应用的处理器、内存资源非常有限。

面对这些限制性的条件,加上任务进度比较紧张,严琪一步步地摸索,逐渐明确了基本原理和算法,他立足航天任务需求,经过进一步创新,最终设计并实现我国载人航天任务中的首个嵌入式汉语拼音输入法,并成功应用于天宫一号目标飞行器,为航天员的天地通信提供了文本通道。最终通过成果积累,严琪成功申请了国家发明专利并获得授权。

这是严琪与载人航天任务的第一次接触,但并不是每一次都这么顺利。

神舟某型号的天基测控设备,有个技术性难题,不解决火箭存在风险。任务落到航天五院西安分院,落到严琪头上。

模拟设备在太空的工作状态,达到太空温度是第一步。在测试厂房,数据要3-4小时才有一次结果,为了得到严格的论证,严琪干脆24小时都待在测试厂房,“航天产品是王冠上的明珠,出手就必须是精品,必须争分夺秒做好设备攻关,不能有丝毫的隐患。”

在航天五院西安分院研发室可以看到这样一句标语:“10000-1=0”。这也是每个航天人的自我警示。

保证质量,保证时效。用时3个月,严琪出色地完成了这次任务。

现在,严琪所研制的设备水平已处于世界先进水平。

每次发射成功后,航天五院西安分院会搞一个仪式——“星星点灯”。天上一颗星,地上也有一颗星,在以浩瀚太空图为背景的荣誉墙上点亮象征着此次型号的一颗星。

责任编辑:刘洁玉

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