揭秘北斗衛(wèi)星的“中國心”

長征三號乙運(yùn)載火箭矗立在發(fā)射塔架上。史嘯攝/光明圖片

發(fā)射前，技術(shù)人員對火箭進(jìn)行各項功能檢查。史嘯攝/光明圖片

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上所搭載的星載銣原子鐘。中國航天科工集團(tuán)二院203所供圖

長征三號運(yùn)載火箭(及遠(yuǎn)征一號上面級)成功發(fā)射第五、六顆北斗三號全球組網(wǎng)衛(wèi)星。新華社發(fā)(梁珂巖攝)

處于總裝階段的長征三號乙運(yùn)載火箭。 史嘯攝/光明圖片

2月12日，我國采取一箭雙星方式，成功發(fā)射了北斗三號第五、六顆組網(wǎng)衛(wèi)星，這兩顆衛(wèi)星上各裝載了中國航天科工集團(tuán)二院203所研制的高精度銣原子鐘，作為我國自主研制的星載原子鐘，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

隨著北斗三號第5顆、第6顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射成功，李春景與他的團(tuán)隊擊掌相慶，作為203所原子頻率標(biāo)準(zhǔn)研究室副主任，他曾負(fù)責(zé)北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星重大專項高精度星載銣原子鐘的研制，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊研制的星載銣原子鐘被視作北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星研制難度最大的產(chǎn)品之一，其技術(shù)含金量之高，攻克難度之大，曾讓北斗導(dǎo)航衛(wèi)星總設(shè)計師謝軍感言其研制過程“可歌可泣”。那么，原子鐘是什么樣的鐘?它跟衛(wèi)星導(dǎo)航之間又有什么關(guān)系呢?

1、原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”

“星載原子鐘作為導(dǎo)航衛(wèi)星的‘心臟’，決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位、測速及授時的精度，是一個國家能否具備獨(dú)立發(fā)展導(dǎo)航系統(tǒng)能力的核心技術(shù)之一。”作為北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星高精度星載銣原子鐘研發(fā)負(fù)責(zé)人，李春景已經(jīng)在原子鐘研制的戰(zhàn)線上奮戰(zhàn)了14個年頭，一談到星載原子鐘，他的話匣子就打開了。

據(jù)他介紹，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航的基本原理為利用多個衛(wèi)星與地球上某個物體之間的距離來確定該物體的位置。根據(jù)物理學(xué)原理，這個距離可以用信號傳播速度與時間相乘而得到，而衛(wèi)星導(dǎo)航所使用的信號傳播速度，其數(shù)值是固定的，因而時間測度越精確，距離計算越精準(zhǔn)，導(dǎo)航的位置定位就越準(zhǔn)確。

因而，從這一角度來說，“衛(wèi)星導(dǎo)航的核心就是時間測量”。203所另外一款星載原子鐘——氫原子鐘的主管設(shè)計師王文明說，導(dǎo)航衛(wèi)星上用來計算時間的精密裝置就是原子鐘，它利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來進(jìn)行計時。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計時精度可以達(dá)到每2000萬年才誤差1秒，從而為衛(wèi)星導(dǎo)航提供精確的時間測度，也因此被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。

目前星載原子鐘分為氫原子鐘、銣原子鐘和銫原子鐘，分別利用氫、銣、銫三種元素來制造。其中，氫原子鐘穩(wěn)定度指標(biāo)最優(yōu)，但研制難度也最高;銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、技術(shù)難度較低、可靠性高等優(yōu)勢，為目前各國導(dǎo)航系統(tǒng)普遍采用;銫原子鐘使用壽命短，但最大優(yōu)勢是具有低漂移特性。

“目前我國已經(jīng)攻克了銣原子鐘、氫原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)，并已經(jīng)在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上使用了這兩種原子鐘搭配來測定時間的方案。”李春景說。與此同時，203所也已經(jīng)組建了星載銫原子鐘團(tuán)隊，并開展研制，未來也有希望成為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。

2、當(dāng)之無愧的高科技工藝精品

任何想要進(jìn)入203所原子鐘實(shí)驗室一探究竟的人，都需要用白大褂、口罩、頭套、手套、鞋套全副武裝起來，最終全身上下只能留雙眼裸露在外，而這仍然不夠，為了最大可能地避免外界干擾，進(jìn)入實(shí)驗室還需穿越一段強(qiáng)風(fēng)席卷的走廊，拂去身上的灰塵。在實(shí)驗室里，新風(fēng)系統(tǒng)日夜?jié)M載工作，溫度和濕度被嚴(yán)格控制在一定范圍，任何一臺供衛(wèi)星使用的原子鐘在這里都像初生的嬰兒一般，被小心呵護(hù)。

除了對生產(chǎn)環(huán)境要求高，星載原子鐘的調(diào)試也是個“磨人”的差事。原子鐘十分“嬌氣”，任何一個細(xì)微參數(shù)的變化都可能影響到它進(jìn)入太空的表現(xiàn)，因此，每到整機(jī)調(diào)試階段，都需要有足夠經(jīng)驗的設(shè)計師親自“操刀”。

“例如，進(jìn)入太空后，衛(wèi)星軌道環(huán)境溫度會產(chǎn)生波動，而原子鐘可能受此影響而產(chǎn)生誤差，從而直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度。”楊同敏說，他繼李春景之后，擔(dān)任了星載銣原子鐘的項目負(fù)責(zé)人。據(jù)楊同敏介紹，為了降低原子鐘對溫度變化的敏感度，避免太空中產(chǎn)生誤差，“研發(fā)人員必須了解這一部原子鐘的全部特性，摸清它的電路和物理系統(tǒng)有什么‘脾氣’，才能知道怎么綜合調(diào)整造出最好的銣原子鐘。”

“原子鐘一旦上天，加電運(yùn)行就直到它‘壽終’，要求必須絕對可靠。”李春景說。在他眼里，“原子鐘是當(dāng)之無愧的高科技含量的工藝精品，需要具有工匠精神的工程師精心打造。”

3、實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш奖仨毾扔?ldquo;中國心”

相比銣原子鐘，于2018年1月隨北斗三期第三、四顆星飛入太空的氫原子鐘可使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的定位精度、全球覆蓋及較長的自主導(dǎo)航能力，顯著降低北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全球應(yīng)用時的校時壓力。

但是由于氫原子鐘結(jié)構(gòu)和原理更復(fù)雜，其研發(fā)難度也更大。為了讓北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲得與美國GPS、歐盟的伽利略、俄羅斯的三代格洛納斯這三大導(dǎo)航系統(tǒng)相媲美的能力。星載氫原子鐘的團(tuán)隊也用了近十年時間，解決了溫控系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，電磁兼容性的改善等一系列技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了氫原子鐘指標(biāo)優(yōu)化，整機(jī)小型化、輕量化技術(shù)等研究，并最終應(yīng)用于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

無論是氫原子鐘還是銣原子鐘，星載原子鐘這個瞄準(zhǔn)步入世界前列的重點(diǎn)任務(wù)，在立項之初都讓人“撓頭”——實(shí)驗室環(huán)境要求高，技術(shù)完全為國外壟斷，研制過程毫無經(jīng)驗可借鑒，“雖說早有心理準(zhǔn)備，但還是沒有預(yù)料到攻關(guān)居然會如此艱難，很多難題以前從未遇到。”李春景說，“但他同時也清醒地認(rèn)識到：要搞全球?qū)Ш?，首要條件就是要有原子鐘!原子鐘產(chǎn)品不能依賴進(jìn)口，只有自己干一條路可走!”

理頭緒，做實(shí)驗，日夜兼程的調(diào)試，大家就像上了發(fā)條的鐘一樣不知疲憊。“為了搞定技術(shù)難題，白天黑夜連軸轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)驗、驗證;環(huán)境試驗時，團(tuán)隊成員多班倒，進(jìn)行日夜守護(hù)和記錄數(shù)據(jù)。”李春景說。長年累月大腦高度集中于此，竟真出現(xiàn)了夢中解決難題的神奇經(jīng)歷，“大家多少都遇到過夢到原子鐘聯(lián)調(diào)的情景。”中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星所需要的優(yōu)良“中國心”，就在這樣攻堅克難中自主研發(fā)而成。

如今，203所研制的星載銣原子鐘和氫原子鐘在技術(shù)性能及可靠性上均達(dá)到國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了星載原子鐘關(guān)鍵技術(shù)自主可控，打破了國外壟斷，該所還為此在2017年獲得國家科技進(jìn)步獎特等獎。仰望星空，幾乎每一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星都安裝了203所研制的原子鐘，這些“中國心”將使我國北斗自主全球?qū)Ш较到y(tǒng)走入高性能行列的夢想變?yōu)閷?shí)現(xiàn)。(記者 詹媛 部英男 吳巍)