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光明日报 2022-11-03 04:48
梦天实验舱在文昌航天发射场整舱吊装。新华社发
10月31日，中国空间站基本构型的最后一块大“拼图”——梦天实验舱从文昌航天发射场升空，中国人的太空“家园”，在轨建造完成。“太空建家”，众多自主创新的先进器件和设备发挥了重要作用。
1.“鹰眼镖师”为火箭护航
“鹰眼镖师”,中国航天科工二院23所在文昌航天发射场有两部固定式脉冲测量雷达，为梦天实验舱保驾护航。自“太空快递”冲天而起，这两部雷达就像鹰眼一样，火箭飞到哪儿，它们就“看”到哪儿，火箭飞得稳不稳，有没有“跑偏”，全靠它们“报信儿”。
在火箭发射上升段，这两部雷达为文昌航天发射场指控中心，实时提供火箭的距离、方位、俯仰等信息，从而让指控中心掌握火箭上升段运行状态，为安全控制系统提供重要信息——一旦火箭飞行出现偏移轨道的状况，立刻就能被发现。同时，这两部雷达也为其他设备提供引导信息，它们的高精度观测会一直“盯”着火箭带着梦天实验舱，顺利飞上大气层。
文昌航天发射场位于热带，常年湿热多雨，台风影响频繁，对雷达设备稳定性也提出新的要求。为了确保发射任务成功，该所对这两部雷达的要求是“零故障”。作为该所部署在祖国最南端的固定式雷达产品，这两部雷达开创了该所雷达设备在热带海岛环境长期工作的先河。雷达设计时对产品环境适应性进行了充分考虑，尽可能简化室外装备，对室外机箱进行封闭式设计，选择防腐蚀、防潮性能好的部件，最大程度提高装备环境适应性，提高产品可靠性。
正因如此，这两个“鹰眼镖师”，经历了多次考验，次次不辱使命——2016年，它们保障“长征七号”和“长征五号”首飞，被西昌卫星发射中心评价为“在两型火箭首飞期间，稳妥可靠，万无一失，实现了关键时段零故障的目标”。从2016年到2022年，天问、嫦娥、天舟、天和、问天、梦天，这两部雷达始终“零故障”，圆满完成各项任务保障工作，一次次护航长征家族的“快递员”平安奔赴太空。
2.微波雷达牵起“太空红线”
梦天实验舱与空间站组合体成功交会对接，中国航天科工二院25所自主研发的微波雷达再次牵起“太空红线”，成功导引实现对接，九天之上再现中国精度！
微波雷达是空间站交会对接过程中的关键测量敏感器，承担着中远距离航天器间距离、速度、角度等相对运动参数的精确测量任务。远距离捕获、稳定跟踪、精准导引、可靠通信全依赖这个“靠谱红娘”引导。
微波雷达由雷达主机和应答机两部分组成，分别安装在交会对接的两个航天器上，两者就像是电话的两端，通过微波实现相互“问答”，传递相互的位置、姿态信息，“牵引”航天器从相遇到相连，直至完成交会对接。此次任务中，安装在梦天实验舱上的微波雷达在两个航天器相距约100公里处开机，迅速与安装在天和核心舱上的应答机建立稳定链路，并持续输出高精度测量数据，保证对接全过程稳定可靠。
这个“靠谱红娘”，很不简单，自它在“天宫一号”与“神舟八号”交会对接任务中首次亮相以来，20多年间，在载人航天任务中，先后经历了11次交会对接，保持了屡战屡胜的光荣记录，用高精度的产品性能和高可靠的质量，完美助力载人航天任务顺利开展，以稳定可靠的优异表现为空间站建设提供了技术支撑。
3.氢原子钟提供高精度时间频率
在梦天实验舱发射任务中，中国航天科工二院203所研发的空间主动型氢原子钟、频率比对器首次进入空间站执行实验任务，为构建空间站高精度时间频率基准发挥了重要作用。
在此次任务中，203所研制的空间主动型氢原子钟装载于梦天实验舱高精度时频柜中，是时频柜系统中的核心载荷,具有优秀的中短期频率稳定度，在满足小型化的前提下，其技术指标为国内最高。它为空间时间频率系统提供基础时间频率信号，为小型化的主动型氢钟在卫星平台上的应用打下坚实的基础。
什么是原子钟呢？它是世界上已知最精确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准。它利用原子核外电子的轨道发生变化时，会吸收或释放恒定频率的电磁波这一工作原理，提取这个振荡频率，转化为日常所熟知的秒信号，作为衡量时间的“尺”。这把“尺”非同一般——原子的振荡频率非常快，如果和单摆比较，单摆几秒钟摆动一下，而原子产生的电磁振荡，一秒钟就要摆动10亿次。
要知道，原子钟的准确度，大大超过了机械手表、石英钟，这个差距能有多大呢？平均来看，机械手表一个小时就会偏差一秒，石英钟差不多需要270年会偏差1秒，而原子钟偏差一秒则需要3000万年。如果给地球上最后一只霸王龙一台原子钟，那么到2022年的今天，这台原子钟仅仅只会出现2秒的偏差。
用如此精细的“尺”来衡量时间，测量精度能不高吗？
在这一次的任务中，203所还研发了另外一台核心设备——频率比对器，它负责对时频实验柜系统内各原子钟的性能进行测试和评估，并为其他载荷传递超高精度的时间频率信号。这一次，它的核心元器件可是首次采用国产元器件，通过机、电、热的设计改进，既可靠又安全。
梦天实验舱在轨运行后，203所研发的主动型氢原子钟和频率比对器，将极大地提高我国太空实验室在时间频率方面的研究成效。
4.声表面波滤波器滤除干扰信号
在梦天实验舱的旅程中，有一些像“绿豆”一样大的元器件在通信系统、交会对接系统以及导航系统等方面发挥作用，它们的职责是保障试验舱通信、导航等关键部位的顺利运行，让太空的声音清晰传回地球。
作为航天器各分系统的关键元器件，中国航天科工二院23所微电公司研制的多款声表面波滤波器应用于梦天实验舱中的通信系统、交会对接系统以及导航系统等。
在太空中，电磁环境比较复杂，如果通信受到干扰，就像电话有杂音，听起来不舒服，还耽误事儿。而声表面波滤波器的作用是把宇宙中的杂波信号、谐波还有一些镜像信息等“多余物”过滤掉，像“滤网”一样，让信号更加干净，更加流畅。
梦天实验舱使用的声表面波滤波器覆盖了多个波段，器件灵敏度高、损耗小、体积小，有些就像“绿豆”那么大，但是它们为整机性能提升优化提供了强有力的支撑。
为了更好滤除无用的信号干扰，确保与地面中心的信号畅通，研发团队对每一个滤波器精雕细琢——声表面波滤波器的最细线条仅有0.3μm，相当于头发丝直径的1/200，操作需要在显微镜下进行。每一个合格的高可靠性声表面波淲波器，都要在高倍显微镜下“过关斩将”。其加工环境也要求很苛刻，在百级超净车间中，每批产品至少经历3次超声波或等离子清洗，充分保证元器件的可靠性。所有的声表面波滤波器都通过宇航级的高可靠性能试验，能充分适应发射阶段的巨大加速度、环境应力迅速变化、剧烈振动和冲击，并能在外太空失重和强辐射等极端环境中，为相关任务保驾护航。