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

 

作為一個(gè)龐大的衛(wèi)星星座，每一顆衛(wèi)星都是由幾萬個(gè)元器件組成的，其核心元器件國產(chǎn)化率達(dá)到了100%。其中，行波管放大器作為衛(wèi)星上用來放大信號(hào)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(duì)一個(gè)剛剛制造完成的行波管放大器進(jìn)行真空性能測(cè)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(yuǎn)的太空，完成對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸任務(wù)。今年，對(duì)于行波管科研團(tuán)隊(duì)來說，收獲滿滿。過去的五年時(shí)間，他們陸續(xù)為北斗三號(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。然后，它在衛(wèi)星還有通信、包括雷達(dá)各個(gè)方面都有非常多的應(yīng)用。

 

 

行波管由100多個(gè)精密的零部件組成，其裝配精度要達(dá)到微米級(jí)。同時(shí)還要滿足真空器件的“保質(zhì)期”，團(tuán)隊(duì)面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

 

央視記者 張春玲：這一個(gè)小小的發(fā)光體就是行波管的心臟叫陰極。它在工作的時(shí)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(chǎng)在微米級(jí)精度的螺旋線里進(jìn)行能量交換。把微波的信號(hào)放大幾萬倍后，信號(hào)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了多年的技術(shù)積累，但是面對(duì)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(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品到衛(wèi)星的這個(gè)工程化產(chǎn)品，有一些現(xiàn)象是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里沒有遇到過的，還有我們要保證這個(gè)器件在衛(wèi)星上十幾年運(yùn)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(shí)現(xiàn)關(guān)鍵元器件的國產(chǎn)化，行波管研發(fā)團(tuán)隊(duì)開啟了晝夜實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。他們?cè)O(shè)計(jì)了多個(gè)方案并行研制，同步開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)平臺(tái)或者機(jī)會(huì)來為國家這個(gè)重點(diǎn)工程來做這個(gè)貢獻(xiàn)，所以當(dāng)時(shí)我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)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(gè)加班加點(diǎn)的狀態(tài)，特別是在過程里出現(xiàn)一些問題或者故障的時(shí)候，更是要幾倍的工作量來實(shí)現(xiàn)這個(gè)故障的排除。

 

 

經(jīng)過兩年的持續(xù)攻關(guān)，2015年3月這個(gè)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)陸續(xù)為北斗三號(hào)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(dòng)下，目前其產(chǎn)品已覆蓋國內(nèi)航天應(yīng)用的各個(gè)波段，包括北斗、遙感、通信等近60個(gè)衛(wèi)星工程型號(hào)。

 

 

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(shí)際上通過這個(gè)過程我覺得我們科學(xué)院在這種工程應(yīng)用方面（在這個(gè)里面）積累的經(jīng)驗(yàn)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(gè)科研過程的一個(gè)能力，而且在這個(gè)過程里，工程應(yīng)用的這方面的能力還得到了更好的一個(gè)提升。

 

 

隨著行波管及放大器國產(chǎn)化進(jìn)程的不斷深入，中科院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將在性能、功率、穩(wěn)定性等多方面進(jìn)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(cè)等航天工程中實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

 

如果說，在十三五期間，科研團(tuán)隊(duì)主要攻克了性能、穩(wěn)定性等這些核心技術(shù)指標(biāo)，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(qiáng)：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(gè)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(shì)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(gè)大帶寬，高的數(shù)據(jù)通量，這樣的一個(gè)通訊能力。這也是真空電子學(xué)器件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

 

 

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(duì)的終點(diǎn)。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(jìn)行了整合，成立空天信息創(chuàng)新研究院，進(jìn)一步在體制機(jī)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(qiáng)：我覺得通過這樣一個(gè)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。