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          我們的“中國心”為世界時間定位——二院203所北斗導航星載原子鐘研制發展記

          發布時間:2018-02-23    信息來源: 中國航天科工二院

          中國航天事業經過60多年的發展,取得了輝煌的成就,而在世界航天大國的篇章中,一定會有那么一小段記錄下為我國北斗衛星導航事業研制星載原子鐘的故事。探索浩瀚宇宙的路將永無止境。今后,航天科工二院203所奮斗的腳步不會停止,將研制更加精準的原子鐘,向更高科技高峰邁進。北斗在高高的太空中遨游,地上的原子鐘人卻很少有時間抬頭去仰望星空,他們的驕傲都在身旁——低頭躬身于眼前的美麗原子鐘。不久的將來,北斗導航系統建立完畢后,每個國人將會切身感受到祖國的強大。

          在2017年1月8日舉行的2016年度國家科學技術獎勵大會上,北斗二號衛星工程榮獲2016年國家科技進步特等獎,中國航天科工二院203所作為北斗二號衛星工程核心載荷產品——星載原子鐘的配套單位,研制的高精度原子鐘已達到了世界一流水平,實現了關鍵技術自主可控打破國外壟斷,成為本次國家科技進步獎特等獎獲獎單位之一。

          作為國內唯一一家同時研制氫、銣、銫三種傳統原子鐘的單位,203所原子鐘團隊用16年的堅守與執著,在科技前沿取得了重大突破。該所研制的星載原子鐘已廣泛應用于北斗導航系統, 截止目前,這個團隊已經順利交付多臺星載原子鐘產品,裝載于北斗導航衛星中。隨著一次次原子鐘搭載發射的成功,標志著我國已經完全掌握了星載原子鐘的研制技術,完全擺脫了國外導航原子鐘的束縛,也標志著我國已經成為完全自主建立導航定位系統的國家。

          擁有信念,超越自我,承載著國家重大任務的使命和擔當

          原子鐘是北斗衛星導航定位系統的心臟,其為衛星系統提供高穩定的時間頻率基準信號,決定了導航系統的導航定位、測速及授時的精度,是一個國家能否具備獨立發展導航系統能力的核心技術之一。

          原子鐘是利用“磁共振”技術鎖定的超精細能級躍遷頻率來實現基準頻率輸出的,其工作原理涉及量子力學、電學、熱學以及光學等學科,指標要求相當苛刻,在航天系統中屬于研制難度最大的產品之一,向來受到“特殊關照”,被北斗導航衛星總師稱之為“可歌可泣”的產品。

          從北斗導航系統工程研制開始,203所作為傳統的原子鐘研制單位就瞄準國際一流的高性能高可靠的星載銣原子鐘。李春景作為北斗二代導航衛星高精度星載銣原子鐘研發課題的負責人,也是整個團隊中的靈魂人物,這個已經在原子鐘戰線上奮戰了14個年頭瘦瘦的“大個子”一談起北斗銣鐘,他的話匣子就打開了:“要搞全球導航,首要條件就是要有原子鐘!原子鐘產品只有自己干一條路可走!所以從一開始原子鐘的自主研發就成了北斗系統總師關注的焦點?!?nbsp;

          攻關難度大,挑戰異常艱巨,特別是在仿真和設計能力上,前進的道路困難重重。為了達到技術指標,203所原子鐘團隊從立項之初,項目團隊帶著必勝的信念,帶著敢于擔當和攻堅克難的勇氣,反復摸索進行方案論證、技術攻關、試驗驗證,一路上困難重重,總體方案和電路一再調整優化。他們展開頭腦風暴,開拓創新,通過不斷技術創新和改進優化,實現了整機高信噪比信號的輸出,實現了微波信號低噪聲、高穩定性,達到了銣鐘輕量化、小型化指標要求,并使得產品壽命大大提高,滿足十幾年的使用壽命要求……

          一項項關鍵技術攻關、一個個技術創新,終于研發出了我國第一臺符合要求的星載原子鐘,擁有自主可控技術的星載銣原子鐘并實現在軌工作,中國人終于有了自己的星載原子鐘!

          相比銣原子鐘,星載氫原子鐘是一個難度更大的產品,因為它的結構和原理更復雜,但是氫原子鐘在重要技術指標,如頻率穩定度、頻率準確度及日漂移率等方面具有明顯優勢,可使北斗導航系統實現更高的定位精度、全球覆蓋及較長的自主導航能力,顯著降低北斗導航系統全球應用時的校時壓力,是其可與世界其它三大導航系統相媲美的必要條件。星載氫鐘負責人李晶是被年輕同志笑稱為氫鐘研制的“鼻祖”,他在技術上較真且追求完美,正是他這種對技術永無止境的追求才研制出與國外媲美的高性能高可靠的星載氫鐘。從星載被動氫鐘關鍵技術攻關、電性件研制、鑒定件直到正樣的定型,他帶領項目團隊用了近十年的時間,相繼解決了一系列技術難題;溫控系統的參數優化,電磁兼容性的改善,使星載氫鐘長期頻率穩定度大幅提高,增強了整機的環境適應性。最終攻克了包括指標優化,整機小型化、輕量化技術研究,空間環境適應性、可靠性與長壽命技術研究等關鍵技術難題。2015年9月30日7點13分,星載氫原子鐘跟隨北斗二代二期試驗衛星在西昌衛星發射中心成功發射,成為中國北斗導航衛星發展史上一個新的里程碑。

          目前,203所研制的星載氫鐘在技術性能及可靠性上均達到國際同類產品水平,將首次大規模正式應用于北斗導航工程,為北斗三號新一代導航衛星的高性能、長壽命要求提供了有力保障。

          集智攻關,攻堅克難,大幅度提升北斗導航性能指標

          2012年,203所研制的高精度銣原子鐘已達到了世界一流水平!但為了提高北斗導航定位精度和實現導航系統的長期自主運行能力,2015年,國內首臺星載氫原子鐘順利交付衛星總體并隨衛星成功上天且在軌運行正常,可使北斗系統的導航定位性能能力大幅提升,是我國星載原子鐘領域和導航領域的又一個里程碑!

          “銣原子鐘在軌運行過程中會受到衛星軌道環境溫度波動影響,將會直接影響導航系統定位精度所以要讓原子鐘對溫度變化的敏感度降低?!薄耙販?,研發人員必須了解鐘的全部特性,摸清它的‘脾氣’?!蹦壳暗你滅婍椖控撠熑藯钔羧缡钦f。到整機調試階段,需要有足夠經驗的設計師親自“操刀”調試。

          與生產其他電子產品不同,比如生產手機,有調試工人,按照工藝文件調試就可以了。銣原子鐘調試則還需要工作人員掌握原子鐘電路和物理系統的脾氣, 知道怎么綜合調整才能造出最好的銣原子鐘,調試過程中從電子信號中看到物理本質,設計師掌握的技術細節越多,產品質量越好。到目前為止,星載銣原子鐘每臺鐘都要從每個參數開始精細調試,尤其是真空環境下的調試,原子鐘一旦上天,加電運行就直到它“壽終”,要求必須絕對可靠。原子鐘比瑞士的鐘表更加精細,原子鐘是當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?!崩畲壕叭缡钦f。

          日夜兼程、刻苦攻關、奮戰在研制原子鐘戰場上

          星載原子鐘,這個從開始立項就瞄準了打破國外壟斷、步入世界前列的重點任務,無論是誰剛接手時都會有些撓頭。面對研制中織亂如麻的問題,團隊成員雖說早有心理準備,但還是沒有預料到攻關居然會如此艱難,很多難題以前從未遇到,沒有經驗可借鑒。

          理頭緒,做實驗,數不清多少個寄予期望的開頭,也記不住多少個沒有結果的結尾,產品交付進度節點必須保證, 日夜兼程的調試,大家就像上了發條的鐘一樣不知疲憊。銣鐘項目負責人李春景對自己團隊的經歷如數家珍:“為了搞定技術難題,團隊白天黑夜連軸轉進行實驗、驗證;環境試驗時,團隊成員多班倒,進行日夜守護和記錄數據。大家都有過這樣的神奇經歷,做夢經常會夢到原子鐘聯調的情景:如何接線、如何搭電路,甚至示波器上如何顯示,如同真實的工作場景一般。有時,技術人員一覺醒來,立馬翻身下了行軍床,趕緊將夢中的情境付諸現實,困擾多日的問題終于解決了。李春景說道,對于我這個在學校都坐不住凳子的人,能這樣玩命專注地干一件工作,我自己都是難以想像的。

          篤志大我,舍棄小我,鐫刻著原子鐘人的堅毅和無悔

          國產原子鐘取得的成績是令人矚目的,榮譽背后,203所原子鐘人的一腔堅毅和無悔,無私奉獻和持之以恒,閃耀出一道又一道感動的光芒。

          為了保證工作時間,李春景從剛剛入住的寬敞明亮北五環外的霍營新家,搬到了單位附近28平米的筒子樓。他安撫好妻子的強烈反對,帶著尚未入托的孩子,李春景自己倒是自我感覺良好,坦然說道:“反正我經常加班,28平米夠她們娘倆住的了?!毙〈壕叭肓送?,開始懂事了,看著不少小朋友經常是爸爸接送,爸爸陪玩,他終于忍不住向幼兒園老師告自己爸爸的狀。當小春景哭訴的內容傳到李春景耳中的時候,這個“不負責任”的爸爸眼角不禁有些濕潤?!皟鹤?,等我們的銣原子鐘性能完全超越國外產品,我一定帶你好好出去玩!”

          作為加班狂人的李晶,節假日的多數時間,他的身影總會在辦公室和調試間出現,十多年如一日。李晶經常和大家開玩笑說:“現在我都不敢生病,即便生了病也不敢請假?!钡拇_,休假對李晶來說真的是一件挺奢侈的事,因為氫原子鐘馬上要上星,北斗導航系統需要他。妻子臨產前,李晶和平日一樣,上班前向妻子扔下一句“晚上不回來吃飯了,自己湊合吃點,如果有情況就給我打電話”,就匆匆趕到單位。孰不知妻子當天身體就不太舒服,特別希望李晶能多陪陪她,委屈的一天沒吃飯,眼淚還是沒忍住流了出來。等李晶再次回到家里,看著昨日桌上一點沒少的飯菜,心中心疼不已,好一頓安慰勸解才使得妻子破涕為笑。

          銣鐘項目負責人楊同敏,也是蠻拼的。為了加班方便,楊同敏一家三口從長陽新房搬到了單位附近二十來平米簡陋破舊的平房,一住就是好幾年。別人問為他為什么,他的回答很簡單:“住的近方便?!比欢?,像楊同敏這樣的航天人,靠的就是可敬的家國情懷和無私奉獻的航天精神,他們克服了工作和生活中一個又一個的困難。

          現任星載氫鐘負責人部英男一直就是大家眼中的“科技達人”,平時大家有什么電子產品的技術問題解決不了第一個想到的就是找他,他這種對技術天生的敏感和愛好成了科研中的一個優勢,當起項目負責人得心應手。面對研制中紛繁復雜的技術難題和管理難題都被他睿智地解決了。作為家中的獨子,在父親生病住院期間也只請幾天假陪陪父親,回來便一頭扎進實驗室。

          在原子鐘研制團隊中,幾乎所有成員都有長期加班的經歷,每個人都多多少少都有些經典的故事發生:有人把妻子不小心反鎖在洗手間,有人忘了孩子看病的時間,有人約好的相親由于加班被推掉,有人避堵車練成了長跑健將……只是這些故事的背后免不了都有些辛酸。(文/操春燕 部英男)

           

           

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