北斗三號核心元器件國產(chǎn)化率達100% 這項“卡脖子”技術(shù)來之不易

今年8月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式宣布北斗三號系統(tǒng)工程提前半年完成全球星座部署。

 

作為一個龐大的衛(wèi)星星座，每一顆衛(wèi)星都是由幾萬個元器件組成的，其核心元器件國產(chǎn)化率達到了100%。其中，行波管放大器作為衛(wèi)星上用來放大信號的關(guān)鍵部件，是多年來的“卡脖子”技術(shù)。

 

在中科院空天信息創(chuàng)新研究院，科研人員正在對一個剛剛制造完成的行波管放大器進行真空性能測試。隨后，它將搭載在我國即將發(fā)射的高分衛(wèi)星上，在上萬公里遠的太空，完成對地數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。今年，對于行波管科研團隊來說，收獲滿滿。過去的五年時間，他們陸續(xù)為北斗三號系統(tǒng)交付了130余套行波管和放大器，保障了北斗工程的順利建設(shè)。

 

 

中科院空天信息創(chuàng)新研究院研究員 繆國興：它是通過一些精密復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)電子和電磁波的能量交換，然后把電磁波放大到幾百瓦，實現(xiàn)遠距離的信號傳輸。然后，它在衛(wèi)星還有通信、包括雷達各個方面都有非常多的應(yīng)用。

 

 

行波管由100多個精密的零部件組成，其裝配精度要達到微米級。同時還要滿足真空器件的“保質(zhì)期”，團隊面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

 

央視記者 張春玲：這一個小小的發(fā)光體就是行波管的心臟叫陰極。它在工作的時候，溫度要上升到1000度左右。就可以發(fā)射出高速電子，電子和電磁場在微米級精度的螺旋線里進行能量交換。把微波的信號放大幾萬倍后，信號就能從太空傳到地面。

 

 

2013年，在我國新一代北斗衛(wèi)星的研制初期，衛(wèi)星總體要求行波管這一核心器件必須全面自主可控。迅速完成滿足衛(wèi)星使用要求的行波管研制，成為了擺在科研人員面前的首要任務(wù)。雖然研究團隊已經(jīng)有了多年的技術(shù)積累，但是面對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，還是第一次。

 

 

中科院空天信息創(chuàng)新研究院研究員 繆國興：從實驗室產(chǎn)品到衛(wèi)星的這個工程化產(chǎn)品，有一些現(xiàn)象是我們在實驗室里沒有遇到過的，還有我們要保證這個器件在衛(wèi)星上十幾年運行不出問題，這都是給我們提出了很多新的要求。

 

 

為了能夠迅速實現(xiàn)關(guān)鍵元器件的國產(chǎn)化，行波管研發(fā)團隊開啟了晝夜實驗?zāi)Ｊ?。他們設(shè)計了多個方案并行研制，同步開展實驗驗證，大大提高了研發(fā)效率。

 

 

中科院空天信息創(chuàng)新研究院研究員 繆國興：我們科研工作者這么多年的積累，的確需要一個平臺或者機會來為國家這個重點工程來做這個貢獻，所以當(dāng)時我們整個團隊還是充滿激情地去把這件事做好，所以我們基本上在兩年之內(nèi)都是一個加班加點的狀態(tài)，特別是在過程里出現(xiàn)一些問題或者故障的時候，更是要幾倍的工作量來實現(xiàn)這個故障的排除。

 

 

經(jīng)過兩年的持續(xù)攻關(guān)，2015年3月這個由我國全自主研發(fā)的行波管放大器隨北斗衛(wèi)星發(fā)射升空。十三五期間，科研團隊已經(jīng)陸續(xù)為北斗三號系統(tǒng)交付了130余套行波管及放大器保障了北斗工程的順利建設(shè)。在空間行波管及放大器國產(chǎn)化需求的拉動下，目前其產(chǎn)品已覆蓋國內(nèi)航天應(yīng)用的各個波段，包括北斗、遙感、通信等近60個衛(wèi)星工程型號。

 

 

中科院空天信息創(chuàng)新研究院研究員 繆國興：以前老說科學(xué)院只是做研究，實際上通過這個過程我覺得我們科學(xué)院在這種工程應(yīng)用方面（在這個里面）積累的經(jīng)驗和得到的這種鍛煉和提升也是非常大的，所以我們應(yīng)該說是具備了從研究到工程應(yīng)用整體，整個科研過程的一個能力，而且在這個過程里，工程應(yīng)用的這方面的能力還得到了更好的一個提升。

 

 

隨著行波管及放大器國產(chǎn)化進程的不斷深入，中科院的研發(fā)團隊將在性能、功率、穩(wěn)定性等多方面進行不斷的技術(shù)迭代和提升。

 

未來，這一技術(shù)將有望在深空探測等航天工程中實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

 

如果說，在十三五期間，科研團隊主要攻克了性能、穩(wěn)定性等這些核心技術(shù)指標，接下來 ，他們要在更高頻率、更大功率、更高效率等方面不斷攻關(guān)，以滿足科研探索和工程應(yīng)用等多方面的需求。

 

 

中科院空天信息創(chuàng)新研究院研究員 張志強：從發(fā)展的角度講，我們行波管作為真空電子學(xué)領(lǐng)域的一個分支，逐步從分米波到厘米波到毫米波，甚至到太赫茲頻段這樣的趨勢在發(fā)展。那么為什么頻率越來越高，未來在通信當(dāng)中主要解決這個大帶寬，高的數(shù)據(jù)通量，這樣的一個通訊能力。這也是真空電子學(xué)器件的一個發(fā)展趨勢。

 

 

更高的精度、更高的性能、更高的穩(wěn)定性，在科研攻關(guān)的路上，沒有絕對的終點。2018年中科院將電子學(xué)研究所、遙感與數(shù)字地球研究所和光電研究院進行了整合，成立空天信息創(chuàng)新研究院，進一步在體制機制上打破學(xué)科界限，提升原始創(chuàng)新能力。

 

 

中科院空天信息創(chuàng)新研究院研究員 張志強：我覺得通過這樣一個融合呢，可以打破很多領(lǐng)域之間的壁壘，把它連通起來，能夠解決重大的科技技術(shù)問題。