勇攀电子高峰 保障飞天圆梦

高慧

从无人飞行到载人航天，从出舱活动到交会对接，中国人实现千年飞天梦想；从微电子到纳电子，从模拟通信到4G商用，电子信息技术一日千里飞速发展。载人航天离不开电子信息技术的支撑，从元器件到整机到系统，从参与到融入到推动，电子信息技术与载人航天技术携手共进，保障飞天梦想圆满实现。

中国电子科技集团公司（以下简称中国电科）作为载人航天工程副总指挥长单位，作为党和国家直接掌控的战略性团队，为载人航天工程的实施，做了大量卓有成效的工作。在载人航天工程的八大系统中，中国电科都承担了大量的研制和配套任务，负责测控通信系统设备、雷达探测设备、太阳能电池和大量关键元器件的研制任务。中国电科以国家需要为己任，不畏艰难，勇于挑战，积极探索，开拓创新，甘于奉献，始终坚守在国家尖端科研的第一线，一次又一次经受考验，出色地完成使命。

激光雷达：为“天神相拥”完美“牵线”

2011年11月3日，神舟八号飞船与天宫一号成功交会对接，一项关键技术的突破引起了国内外关注——国内激光雷达首次在空间环境应用。这项技术当时不仅在我国是首次应用，在世界载人航天领域也是一个需要不断突破的课题。

从“摸着石头过河”的大胆探索、海量试验精密求证到技术的不断创新完善，长达十年时间，中国电科坚持探索实践、自主创新，最终实现国内激光雷达在空间环境的首次应用，多项技术指标填补国内空白，综合指标达到甚至超过世界先进水平。

此后，这项技术在神舟九号、神舟十号飞船上应用更加成熟。

中国电科科研人员董光焰介绍，如果说神舟飞船与天宫一号的对接是“肌体”连接的话，那么作为导通两者之间实现太空交会对接的激光雷达，毫无疑问承担着“眼睛”角色，靠着它，神舟飞船成为一艘“智能飞船”，它精确地发现天宫一号，并自我引导完成两个飞行器精准的“太空拥吻”。

董光焰打了个比方，在天空中，天宫一号在前面飞，速度为每秒7.9公里，神舟飞船在后面追。要“追到手”，神舟飞船首先要“看上”天宫，然后调整姿态，慢慢靠近它。在追赶的过程中，神舟飞船还要掌握天宫的相对位置、速度、视觉等数据，紧紧跟随，绝不放手。

如何“看上”呢，靠的就是激光雷达。

“有人说，飞行器太空对接就像是百米外穿针引线，穿针需要一双明亮的眼睛，而我们提供的就是这双眼睛。”董光焰说。

交会对接任务中，测量参数多、精度高、动态范围大、体积功耗严格受限，是载人航天领域一个突出的难题。

从2001年项目立项开始，中国电科积极开展技术创新，进行了大量的试验，收集和掌握了数百万个激光雷达一手数据，突破了五大关键技术，建立了一套适合激光雷达航天规范的技术流程和工艺规范。这些技术指标填补国内空白，综合指标达到甚至超过了世界先进水平，为我国激光雷达测试系统的未来发展和测试标准的建立奠定坚实基础。

科研人员介绍，太空中探测距离是激光雷达的关键指标之一，对是否成功交会对接起到至关重要的作用。然而，我们所能进行的所有激光雷达试验都是在地面，受大气衰减影响，作用距离无法精确模拟太空的数值。

为了得到太空与地面作用距离的准确对应关系，中国电科创造性地建立了天地差异模型，并转战大江南北，奔赴祖国各地开展外场试验，获得较为接近太空环境的远距离测试数据。

载人航天工程副总指挥、中国电科集团公司董事长熊群力告诉记者，交会对接激光雷达项目是一个只能成功不能失败的重大任务，研制团队表现可圈可点。在研制过程中，团队里的每一个人都未雨绸缪，提早做研制工作计划，每一步都严格落实情况，全力以赴进行研发、试验等各项工作，用严明的纪律，雷厉风行的作风，严谨科学的工作态度确保成功、确保万无一失。中国电科交会对接激光雷达科研团队因在神舟八号与天宫一号载人对接任务中作出了卓越贡献，荣获“中国载人航天工程突出贡献集体”称号。

手动交会对接背后的精准测控通信

2012年6月24日，中国载人航天工程实现新突破，神舟九号与天宫一号首次手控交会对接成功。

“航天员手控精准完成飞船与天宫的交会对接，这是真正意义上的驾驶飞船。”中国电子科技集团公司测控通信专家陈建民说。针对手控对接的特点，陈建民说，航天员在“驾驶”飞船实施交会对接的过程中，要看着电视图像，根据实时传输的数据，如距离、高度、轴线差别、相对速度等，让两个航天器一点点逼近，根据仔细计算决定速度变化方案，完成交会对接。

航天员手动操作时掌握的信息则源自神舟九号的测控与通信系统。中国电子科技集团公司科研人员赵晓虎对此分析称，“就是对火箭、飞船进行遥控、通信以及听诊。”

“遥控，就是控制飞船的运行；听诊，就是测量飞船在整个过程中的轨道运行参数，包括飞船空间距离、角度、速度、运行轨迹等在内的重要数据；而通信，则是保障飞船与地面指控中心之间各种数据、指挥调度、天地通信话音和视频等信息的顺利传输。”赵晓虎说。

赵晓虎说，这些测控通信设备的设立，就像一张密实的蜘蛛网，实现了天与地、指挥中心与各个地面站点以及海上测控站点之间的有效连接和协同控制。

“要想成功交会对接，需要通过天地之间的遥测，高精度定轨，确认天宫一号和神舟九号的对接口位置，要准确对准，空间精度误差不能超过1毫米。这就对地面监测站提出了极高的要求。”陳建民说。

在太空，天宫一号和神舟九号飞船都是高速运行的，时速达到2.8万公里以上。在对接过程中，哪怕很小的误差，都可能让飞船错离目标飞行器，或者造成可怕的追尾。

“地面站会不断发射、接收电波，通过计算飞行器距地球距离和电波传输速度对飞行器位置进行测量。神七成功发射后，我们对地面站测控设备进行了一次大改造，神九的设备速度更快、测量精度更高。”陈建民说。

“时间对于测控系统来说是非常严格的。第一宇宙速度是每秒7.8公里，在这个高度上维系飞船的运行至少要达到8公里/秒左右，轨道越高，它的速度就越高。时间如果不准，就完全可能出现差之毫厘、失之千里的情况。”陈建民说。

在遍布全球各地的测控站点，要使整个测控网的时间同步到一个时钟上，这就相当于日常的对表。“这个表的精度有多高呢？是10的11次方。大约相当于3170年不能差一秒。”陈建民说。

航天员在手动操作实施交会对接过程中看到电视图像，听到来自地面的声音，这主要得益于通信系统的畅通无阻。飞行器、地面测控站点、指挥控制中心在天地之间搭建了一张无形的天地通信网络，通过这个网络可以实现各种通信测控数据、指挥调度、通信话音和视频等信息的顺利传输。

“过去，航天员看不到地面的图像；现在，天地之间、各地面站之间的通信系统实现了网络化连接，迈入互联互通新时代。”中国电科高级工程师杨志国说，“如果把以往的通信比作乡间小路，那现在的通信就是一条双向高速公路，可以更快、更多地完成天地问的信息传输。同时，采用更高频段的信息传输质量有很大提高，现在传输的画面可以媲美高清电视画面，声音清晰程度超过日常电话通话质量。”

在神舟九号与天宫一号对接过程中，每秒的数据都很重要，这就要求传输网络要绝对可靠。“民用的1P网络在进行数据传输的时候，会出现丢包的现象，即数据丢失。这样的事情绝对不能在飞船飞天后发生，因为这样就会导致指令不对或是连接中断，所以丢包率必须为零。”中国电科高级工程师卢华斌说，这次神九飞天过程中，网络设备、线路都有备份，并且是“热备份”，即两条网络同时工作，确保数据传输万无一失。

太阳能电池：飞船的生命源泉

太阳能电池阵是飞船的“动力之源”。中国电科因“东方红3号”的优秀表现，被载人航天工程总体确定为神舟飞船太阳电池方阵设计、研制和生产单位。在“神舟一号”至“神舟十号”飞船以及“天宫一号”的发射试验中，中国电科的太阳池方阵、地面太阳电池模拟器、人体代谢模拟装置用锌银电池、姿态控制数字式太阳角计用集成光电敏感器和地面模拟供电检测设备等都工作正常，为飞船的发射运行提供了有力支撑。

从火箭发射点火后到神舟飞船和火箭分离、太阳能帆板展开前，飞船的电能由蓄电池提供；太阳电池阵展开后对日定向，开始将太阳光能转变为电能，一方面提供飞船平台电能，同时给蓄电池充电，满足飞船在无太阳光区域即地球阴影区的电能需求。如果太阳电池阵不能提供充足的电能，飞船就无法正常工作。“就像家里的空调一样，电能不足时，就无法正常工作。”相关专家介绍。

从神一到神六，飞船的“翅膀”上采用的都是硅太阳电池，只能吸收特定光谱范围的太阳光，其转换效率不高。神舟九号不仅增加了对接机构，还搭载了三名航天员。与此同时，飞船的返回舱、推进舱内，也增加了不少新设备，大大增加了电力的消耗。要满足巨大的消耗，中国电科的科研人员就在飞船的太阳能“翅膀”上动起了脑筋，采用了一种名为三结砷化镓的新型太阳电池。

三结砷化镓太阳电池阵，平均光电转换率为27.56%，光电转化效率提高了50%以上。发电能力达到国际先进水平，和神舟八号飞船所用的电池阵相比也提高了0.16%。

三结砷化镓太阳电池阵不仅转换效率高，而且抗辐射性能好。神舟九号飞船运行在320-340公里的近地球轨道，空间环境中的紫外线、电子、质子等空间粒子都会对太阳电池阵产生影响，产生性能衰降。为确保太阳电池阵在任务期间的安全性、可靠性，满足能量的需求，太阳电池的性能越高、抗辐射性能越好，在任务末期的性能衰减越小，从而可以在任务开始和结束时都能很好满足飞船的电能需求。

毫不夸张地说，太阳电池阵就是飞船的生命之源泉，中国电科研制的高质量高可靠的电源产品保障了它的生命能量。

炼就“慧眼”迎神舟

在“神舟”飞天的光辉历程中，着陆场搜救堪称收官之作。我国科技人员不畏艰难，自主创新，先后研制出了陆上、海上和空中系列搜救装备，成为飞船返回搜救的“火眼金睛”，确保了历次返回搜救任务圆满完成，使我国载人航天搜救技术走在世界前列。

着陆场系统是宇航员安全返回地面的最后一个环节，也是最为关键的环节之一。飞船返回舱着陆后，如何在最短时间内发现目标并实施救援，对宇航员和返回舱的安全至关重要。

1997年，在飞船其他系统紧锣密鼓进行研制的过程中，原总装备部组织自主研发921工程着陆场短波定向仪和短波通信设备，使着陆场系统在搜救返回舱时有了锁定目标的“眼睛”，极大缩短搜救回收的时间，提高搜救回收的效率，确保返回舱和航天员的安全。

经过艰苦攻关，中国电科拿下了这一任务。

在“神舟”飞船的发射中，我国采用了空中和地面（海面）双重保障的搜救体系。所有参试设备分布在主着陆场、副着陆场、海上溅落区和应急着陆区等广大区域，形成了海陆空天地一体的搜救网络。

为了进一步提高搜救效率，也为保护环境、节约投入、缩减庞大的地面搜救队伍，2008年1月，原总装备部制定了“空中搜救航天员，地面处置返回舱”的回收搜救方案，中国电科又一次勇挑重担。

受气象、地形地貌等诸多因素的影响，返回舱着陆的姿态不能像人们设定的那样直立于地面，往往会发生倾斜或倾倒。一旦出现这种状态，定向仪收到的信号会发生极化变异，如果不采取双极化技术体制则可能收不到信号或收到很弱的信号，给搜索搜救带来困难，延长航天员出舱时间。

经过一年多艰苦卓绝的攻关，中国电科突破了双极化接收、小型化天线阵列、机载环境电磁兼容、适合机载环境的结构设计等多项关键技术，研发出了比进口定向仪功能更齐全、技术更先进的机载定向仪，确保飞船返回舱落地后在不同姿态下都能被准确定位。

此后，中国电科又一举拿下空中搜救指挥平台建成的任务。这个平台的建立，使我国的航天搜救从返回舱再入大气层开始，对目标进行捕捉、分析和落点预报，然后组织搜救人员迅速向返回舱集结，指挥对航天员的救护和对返回舱进行处置，同时肩負与北京指挥中心的通信联络，实现了搜救的组织指挥从地面到空中的转移和对返回舱搜索的无缝链接，极大地提高了搜救效率，使我国着陆场搜救系统实现了“空中搜救航天员、地面处置返回舱”的新模式。

此外，中国电科还为神舟系列、舱外航天服研制了数千套传感器。主要有用于航天员生理参数遥测的脉搏压力传感器，用于环境控制和生命保障系统的座舱总压传感器等，为航天员的生存提供保证和控制。

从“神一”到“神十”，中国飞天圆梦之旅上的各个“风景点”都凝聚着中国电科科研人员的智慧、心血和汗水。这支党和国家信得过的队伍，一直保持着天生的创新基因和激情，深躬电子信息行业，为中国的航天事业交出了一份满意的答卷。

（作者单位：中国电子科技集团公司）