4月20日19時41分，我國首艘搭載著“天舟一號”貨運飛船的長征七號遙二火箭在海南文昌發(fā)射場成功點火升空，開始執(zhí)行為期5個多月的太空飛行任務(wù)。任務(wù)中，貨運飛船與天宮二號將實施三次交會對接，這在我國航天歷史上還是第一次。三次交會對接主要目的是驗證貨運飛船的能力、繞飛至前向?qū)蛹夹g(shù)及自主快速交會對接技術(shù)。
　　
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　　經(jīng)過一天多的飛行，4月22日，12時23分與天宮二號空間實驗室順利完成自動交會對接。這是天宮二號自2016年9月15日發(fā)射入軌以來，首次與貨運飛船進(jìn)行的交會對接。
　　
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　　俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)援引《航空全景》雜志主編、莫斯科航空學(xué)院專家謝爾蓋·菲利片科夫的話稱：“中國在走蘇聯(lián)走過的路。但（中國飛船的）機(jī)載設(shè)備要好得多，所采用的數(shù)字化技術(shù)在無人和載人航天領(lǐng)域都有很大前景。同時也存在一些問題。太陽耀斑發(fā)生時宇宙空間存在電離輻射，即便是近地軌道上的電子設(shè)備也會收到破壞。如果中國已經(jīng)有這種可靠的微芯片結(jié)構(gòu)，可免受電離輻射破壞，那么這將是向前邁出的一大步。而俄羅斯才剛有這樣的計劃?！边@意味著未來十年后世界上唯一的一個太空之城——中國空間站的相關(guān)研制和應(yīng)用正在進(jìn)入快車道。
　　
　　據(jù)集微網(wǎng)統(tǒng)計，有多款來自中國芯的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)在“天舟一號”任務(wù)中得以應(yīng)用，一起來認(rèn)識下吧。（如有遺漏，歡迎補(bǔ)充）據(jù)北京晨報報道，為了帶動元器件自主研制，加速實現(xiàn)元器件的自主可控，提前驗證空間站中所用的關(guān)鍵元器件，作為飛行驗證平臺的天舟一號首次大刀闊斧地使用了七大類國產(chǎn)新研核心元器件，將未來空間站建設(shè)的關(guān)鍵命脈牢牢握在手中。
　　
　　在“天舟一號”中的數(shù)字信號傳輸模塊，10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器，國內(nèi)首款應(yīng)用頻率達(dá)到40GHz的微波傳輸端子及外殼以及首次研制成功100VDC/DC電源和EMI濾波器，都是由中國電子科技集團(tuán)研制提供的。同時，在天舟一號的推進(jìn)艙和貨物艙內(nèi)遍布電子控制系統(tǒng)中，中國電科研發(fā)的抗輻射加固1553B總線控制器在天舟數(shù)管分系統(tǒng)也得以應(yīng)用。
　　
　　據(jù)中國電科數(shù)字光模塊專家羅洪介紹，“數(shù)字光模塊好比人的神經(jīng)系統(tǒng)，控制著數(shù)據(jù)的發(fā)送、傳遞、接收。比如飛船從宇宙空間采集到的圖像數(shù)據(jù)、地面控制臺與飛船之間的通話、交匯對接時的傳感數(shù)據(jù)都是由數(shù)字信號傳輸光模塊完成。”據(jù)悉，以往飛船通常應(yīng)用銅纜傳輸信號，但因為體積大、重量大、傳輸距離短、傳輸速率低、抗干擾能力差的缺點，一直制約飛船發(fā)展?！霸谖磥砜臻g站的建設(shè)中，由于數(shù)據(jù)吞吐量的急劇加大，不采用數(shù)字信號傳輸光模塊，空間站將不堪重負(fù)?！?/span>
　　
　　羅洪表示，數(shù)字信號傳輸光模塊與傳統(tǒng)銅纜傳輸系統(tǒng)相比，重量降低到原有的十分之一、體積減小五分之一、傳輸速率從兆比特量級提高到吉比特量級、空間抗輻射能力達(dá)到高軌運行能力等優(yōu)勢，實現(xiàn)了產(chǎn)品的抗輻照、小型化、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、高靈敏度和高速率性能，成功解決了空間飛行器信號傳輸設(shè)備的小體積與小重量設(shè)計需求，提高了信號傳輸速率，有效提升了空間飛行器信號傳輸性能，可靠保障空間飛行器運行。
　　
　　在天舟一號的推進(jìn)艙和貨物艙內(nèi)遍布電子控制系統(tǒng)中，中國電科研發(fā)的抗輻射加固1553B總線控制器在天舟數(shù)管分系統(tǒng)得以應(yīng)用，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)命令的可靠傳輸及部分設(shè)備的有效控制，猶如天舟一號的部分“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，發(fā)出無數(shù)的支線數(shù)據(jù)命令，實現(xiàn)各個神經(jīng)、器官的數(shù)據(jù)通信，共同完成天舟的各種動作。針對芯片中的存儲器、觸發(fā)器等薄弱、敏感單位，該集團(tuán)進(jìn)行了邏輯層面的抗輻射加固設(shè)計，同時在版圖設(shè)計中進(jìn)行單獨全定制設(shè)計，實現(xiàn)了最終抗總劑量能力達(dá)到國際先進(jìn)水平。
　　
　　同時，天舟一號上搭載了該集團(tuán)配套了100%全國產(chǎn)自主研發(fā)的10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器這些關(guān)鍵“神經(jīng)元”，實現(xiàn)了核心器件自主可控。其中，傳感器遍布飛船的熱控、推進(jìn)、環(huán)控生保等分系統(tǒng)，配套種類包括壓力、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、離子感煙、差定溫等傳感器，可實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與控制及飛行姿態(tài)調(diào)整等。光纜及光纖連接器用于光端機(jī)和光探測器之間光路的通信互連及數(shù)據(jù)的高速雙向傳輸，保證飛船在軌運行期間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。
　　
　　此外，該集團(tuán)研制的國內(nèi)首款應(yīng)用頻率達(dá)到40GHz的微波傳輸端子及外殼，首次研制成功100VDC/DC電源和EMI濾波器，使天舟一號中的航天器母線電壓提升到100V，有效提升了載荷能力和供電總效率。
　　
　　同時，天舟一號上搭載了該集團(tuán)配套了100%全國產(chǎn)自主研發(fā)的10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器這些關(guān)鍵“神經(jīng)元”，實現(xiàn)了核心器件自主可控。此外，該集團(tuán)研制的國內(nèi)首款應(yīng)用頻率達(dá)到40GHz的微波傳輸端子及外殼，首次研制成功100VDC/DC電源和EMI濾波器，使天舟一號中的航天器母線電壓提升到100V，有效提升了載荷能力和供電總效率。
　　
　　據(jù)了解，激光交會對接雷達(dá)和光學(xué)成像敏感器等的使用便是天舟一號貨運飛船與天宮二號成功進(jìn)行交會對接的關(guān)鍵。這兩款由中國電子科技集團(tuán)研制的核心組件保證了兩個高速運行的飛行器更加迅速、可靠地對接在一起。
　　
　　兩個飛行器在太空中要經(jīng)過幾十萬公里的追逐，最終完成精準(zhǔn)地對接，這一過程被航天人比喻成“穿針引線”。經(jīng)過相關(guān)單位的多次實驗和努力，中國交會對接設(shè)備突破了多項技術(shù)，性能明顯優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，處于國際領(lǐng)先水平。
　　
　　“在對接過程中，兩個飛行器飛行速度為7.9公里/秒，要在如此速度下完成繞飛對接和快速交會對接，這就要求激光雷達(dá)始終保持較為寬廣的視角和更高精度的測量跟蹤?！睋?jù)中國電科激光雷達(dá)總師屈恒闊介紹，在天宮二號上搭載了中國電科研制的激光雷達(dá)合作目標(biāo)，天舟一號搭載了激光雷達(dá)主機(jī)和信息處理機(jī)。其探測的基本過程，是由安裝在飛船上的激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出激光束，激光束照射到天宮二號上后返回信號，激光雷達(dá)系統(tǒng)再根據(jù)接收到的返回信號計算分析?！疤鞂m二號攜帶的激光雷達(dá)合作目標(biāo)裝載了特殊的玻璃棱鏡，可以從多方位、大范圍內(nèi)反射激光雷達(dá)的光信號，配合激光雷達(dá)完成距離、角度等飛行參數(shù)的測量，確保飛船進(jìn)行精準(zhǔn)對接?！?/span>
　　
　　最終，在同等體積重量功耗下，中國電科的激光雷達(dá)工作范圍比國外同類產(chǎn)品增大了兩倍以上，實現(xiàn)了全范圍內(nèi)高精度測量跟蹤。
　　
　　天宮二號與天舟一號在太空中要經(jīng)過幾十萬公里的追逐，完成“穿針引線”般的精準(zhǔn)對接，從二者距離150m開始直到最終完成精準(zhǔn)對接整個過程中，有一個被譽(yù)為“靈敏眼睛”的光學(xué)成像敏感器，該設(shè)備能讓兩個高速運行的飛行器更加迅速、可靠的對接在一起。
　　
　　中國電子科技集團(tuán)公司高級工程師劉志強(qiáng)介紹，“導(dǎo)航定位激光信息源是光學(xué)成像敏感器的關(guān)鍵組件，即使是在太空中漆黑無界，它也能發(fā)出激光，在黑暗中找到目標(biāo)，傳遞信息；即便是在面對太陽強(qiáng)光的直射時，它也能發(fā)射出比陽光更加明亮的雙波長激光，確?！劬Α槐粋?，找到目標(biāo)?！?/span>
　　
　　“在本次航天任務(wù)中，激光信息源面臨著在軌時間長、使用次數(shù)多、對接速度快和在陽照區(qū)環(huán)境實施對接等多重考驗，對接精度必須精確到毫米級，可以說，交會對接難度非常大?！被诖耍袊娍频捻椖繄F(tuán)隊在有限的時間內(nèi)，結(jié)合航天實際應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品原理和工藝的全新設(shè)計，進(jìn)行了完整、充分的相關(guān)環(huán)境試驗，經(jīng)過2000多次的試驗，最終研制出第三代產(chǎn)品，其可靠性更高、重量更輕、體積更小、功耗更低，高抗輻照、傳導(dǎo)熱能力強(qiáng)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。而這個過程可謂艱辛。
　　
　　在“天舟一號”貨運飛船與“天宮二號”交會對接任務(wù)中，發(fā)射指揮中心可通過航天513所研制的寬波束中繼測控系統(tǒng)搭建的天基測控通信系統(tǒng)，隨時掌握“天舟一號”貨運飛船和“天宮二號”的運行情況，并向飛船發(fā)送指令，保證任務(wù)執(zhí)行。
　　
　　據(jù)航天513所“天舟一號”寬波束中繼測控終端主管設(shè)計師張舉介紹，過去由于通信通道相對狹窄，飛船在調(diào)整姿態(tài)進(jìn)行對接、分離等技術(shù)動作時，與中繼衛(wèi)星極有可能出現(xiàn)信號中斷現(xiàn)象，而寬波束中繼測控系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是測控覆蓋范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的中繼測控。與此同時，由航天513所山東航天空間載荷中心研制的艙內(nèi)輻射環(huán)境測量載荷將進(jìn)行粒子輻射環(huán)境探測及元器件輻射效應(yīng)監(jiān)測，對相關(guān)元器件在經(jīng)受空間輻射考驗后的“身體狀況”進(jìn)行“診斷”。
　　
　　據(jù)航天513所山東航天空間載荷中心粒子探測組技術(shù)負(fù)責(zé)人劉金勝介紹稱，艙內(nèi)輻射環(huán)境測量裝置能夠測量空間中的輻射環(huán)境以及元器件在空間輻射效應(yīng)中的正常工作狀態(tài)，判斷這個元器件是否能在空間中穩(wěn)定運行，保證貨運飛船和其它一些航天器能順利完成原定目標(biāo)。
　　
　　此外，航天513所研制的星載計算機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于飛船多個分系統(tǒng)，為各系統(tǒng)穩(wěn)定運行發(fā)揮關(guān)鍵作用。
　　
　　天舟一號貨運飛船重13噸，主要由貨物艙、推進(jìn)艙兩個艙段組成，其中推進(jìn)艙由中國航天科技集團(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院負(fù)責(zé)總裝，為飛行器提供動力、能源和通信功能，同時為空間站提供推進(jìn)劑補(bǔ)加服務(wù)。
　　
　　據(jù)上海航天技術(shù)研究院對接機(jī)構(gòu)專家靳宗向介紹，“天舟一號”比載人飛船重很多，相比載人船上的對接機(jī)構(gòu)，此次貨運飛船上的對接機(jī)構(gòu)特別增加了一些緩沖裝置，控制器和驅(qū)動器也進(jìn)行了相應(yīng)的升級。第二代對接機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)未來空間站建造階段8-180噸各種噸位、各種方式的對接，包括偏心對接，其間將會產(chǎn)生巨大的對接能量，對于對接機(jī)構(gòu)的緩沖耗能能力提出很高的要求，這也是空間站建造階段必須突破的一項技術(shù)。上海航天的設(shè)計師們通過大量的技術(shù)攻關(guān)和方案論證，提出了可控阻尼的控制思路。這項設(shè)計經(jīng)過可控阻尼器單機(jī)產(chǎn)品、改進(jìn)型傳動緩沖對接機(jī)構(gòu)產(chǎn)品以及分系統(tǒng)級的整機(jī)、緩沖等全覆蓋的考核措施，滿足本次及后續(xù)任務(wù)的需求。
　　
　　“天舟一號”還有一項重要任務(wù)是空中“加油”，在完成與天宮二號交會對接、進(jìn)入組合體飛行模式后，推進(jìn)系統(tǒng)補(bǔ)加驅(qū)動器將在六個月的空間實驗室任務(wù)中開展補(bǔ)加功能的試驗驗證工作。組合體飛行過程中，上海航天技術(shù)研究院研制的推進(jìn)控制驅(qū)動器將執(zhí)行控制系統(tǒng)指令，控制所有發(fā)動機(jī)和管路閥門，對組合體進(jìn)行姿態(tài)和軌道控制。
　　
　　上海航天技術(shù)研究院院長代守侖告訴記者，回顧神舟一號至神舟十一號、天宮一號、天宮二號的13次發(fā)射任務(wù)中，上海航天承擔(dān)的任務(wù)均取得了圓滿成功，特別是歷經(jīng)多年研制的對接機(jī)構(gòu)在確保任務(wù)成功中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
　　
　　而在后續(xù)載人航天任務(wù)中，除了載人飛船、貨運飛船、空間實驗室等任務(wù)以外，上海航天還承擔(dān)了空間站實驗艙Ⅱ總體任務(wù)，空間站系統(tǒng)的對接機(jī)構(gòu)、電源分系統(tǒng)及非密封艙結(jié)構(gòu)與總裝、測控通信設(shè)備，光學(xué)艙系統(tǒng)能源功能、對接子功能、測控通信設(shè)備等研制任務(wù)。
　　
　　在“天舟一號”電子控制系統(tǒng)中，位于無錫市濱湖區(qū)蠡園開發(fā)區(qū)的中科芯（58所）貢獻(xiàn)兩款核心芯片，控制飛船的動作，無論捕獲、緩沖還是拉近，可以做到毫厘不差。
　　
　　據(jù)中科芯的工程師介紹，“天舟一號”電子控制系統(tǒng)猶如飛船的大腦和神經(jīng)，而這兩款芯片就像“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，發(fā)出無數(shù)條支線數(shù)據(jù)命令，連接飛船各個“器官”間的數(shù)據(jù)通信，控制飛船完成各種高難度的動作。這兩款型號芯片除用于“天舟一號”，還用于“天宮二號”“神舟十一號”以及部分民用產(chǎn)品，顯示出出眾的穩(wěn)定性和可靠性。研發(fā)團(tuán)隊?wèi){此申請了20多項專利。
　　
　　抗輻射是科研人員在芯片設(shè)計中遇到的一大難題。據(jù)研發(fā)人員蔡潔明介紹，高軌太空的輻射環(huán)境十分惡劣，芯片如果不能抵御輻射，就會發(fā)出錯誤命令和數(shù)據(jù)，可能造成飛船功能失?；蜻\行失誤。研發(fā)期間，蔡潔明和同事每周加班二三十個小時，兩年艱苦攻關(guān)，前后四易方案，終于使芯片抗輻射數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計要求。經(jīng)過抗輻射加固的芯片就像肌肉發(fā)達(dá)的“拳擊手”，能承受來自各個方向、各種距離的帶電粒子、質(zhì)子的打擊而屹立不倒。
　　
　　在“天舟一號”的運載系統(tǒng)和飛船系統(tǒng)中配套的多款電源產(chǎn)品，是由位于合肥中國電科43所提供的，包括天舟飛船使用的六大系列22個品種DC/DC變換器和EMI濾波器。
　　
　　這是我國乃至國際系列化程度最高、品種數(shù)最多、功率覆蓋最全的系列產(chǎn)品，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)鑒定為“國際領(lǐng)先”水平，具有首創(chuàng)意義，提升了我國供電母線體系的整體水平。
　　
　　據(jù)中國電科43所相關(guān)研發(fā)人員介紹，為完成本次任務(wù)，中國電科43所經(jīng)受了兩大考驗，首先，在長征七號運載火箭第一次執(zhí)行正式發(fā)射任務(wù)中，研制生產(chǎn)了多款專用高可靠的DC/DC變換器和EMI濾波器，為火箭精度控制提供穩(wěn)定可靠的電能源轉(zhuǎn)換。其次，為“天舟一號”飛船研制生產(chǎn)了系列化宇航級的DC/DC變換器和EMI濾波器，將航天器母線電壓提升近4倍，有效提升了飛船的載荷能力和供電總效率。這些電源產(chǎn)品均是“天舟一號”飛船的核心部件，猶如飛船的“心臟”。
　　
　　隨“天舟一號”升空的“絲路一號”科學(xué)試驗衛(wèi)星01星，是我國采用貨運飛船搭載方式首次發(fā)射的對地觀測微納衛(wèi)星。它搭載了我國自主研制的首顆宇航級高速圖像壓縮芯片“雅芯-天圖”，由西安電子科技大學(xué)圖像所與航天五院513所聯(lián)合研制。除此之外，西安電子科技大學(xué)圖像所還承擔(dān)了“天宮”與“天舟一號”對接系統(tǒng)中遙操作攝像機(jī)數(shù)字視頻編碼和解碼設(shè)備的研制工作。
　　
　　科學(xué)試驗衛(wèi)星01星，具有體積小、重量輕、功能密度高的特點，搭載著總重量不超過1千克的輕小型可見光相機(jī)，以及我國自主研制的首顆宇航級高速圖像壓縮芯片“雅芯-天圖”。它是由在陜的地理信息工程國家重點實驗室、西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、西安電子科技大學(xué)等科研單位聯(lián)合研制的，“絲路一號”整星的收攏尺寸僅為330毫米×100毫米×100毫米，質(zhì)量不超過4.5千克，設(shè)計軌道高度400公里，具備光學(xué)遙感對地觀測能力，是“絲路微小衛(wèi)星群對地觀測系統(tǒng)”的首發(fā)星，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)技術(shù)體制驗證任務(wù)。
　　
　　絲路微小衛(wèi)星群計劃發(fā)射30顆以上的微納衛(wèi)星，可以提供全色、多光譜、高光譜等多種類型的遙感影像并具備增強(qiáng)導(dǎo)航功能。衛(wèi)星通過組網(wǎng)可以將重訪周期縮短至1天，徹底改變遙感衛(wèi)星重訪周期長、產(chǎn)品種類少的舊有格局。
　　
　　此外，由北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院航天電子技術(shù)研究團(tuán)隊吳嗣亮教授、崔嵬教授負(fù)責(zé)研制的“天舟一號”微波雷達(dá)信號處理機(jī)與“天宮二號”微波應(yīng)答機(jī)信號處理機(jī)，為“天舟”、“天宮”提供精確的相對位置和運動參數(shù)測量信息，將引導(dǎo)“天舟”與“天宮”完成三次“太空之吻”。
　　
　　據(jù)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人吳嗣亮教授介紹，“天舟一號”微波雷達(dá)信號處理機(jī)與“天宮二號”微波應(yīng)答機(jī)信號處理機(jī)屬于空間交會對接微波雷達(dá)的第二代產(chǎn)品，相對于第一代產(chǎn)品，此次用于“天舟一號”和“天宮二號”的第二代產(chǎn)品有了新的發(fā)展。崔嵬教授介紹到，“產(chǎn)品增加了雙向通信功能，以保證“天舟一號”在對接任務(wù)中與“天宮二號”實時進(jìn)行信息傳輸。同時，通過設(shè)計優(yōu)化，使第二代產(chǎn)品體積更小，重量更輕，功耗更低”。
　　
　　天舟一號是一艘貨運飛船，然而它的功能卻不僅僅局限于貨物的運輸。此次天舟一號發(fā)射除了完成交會對接、為天宮二號空間實驗室補(bǔ)加燃料之外，它身上還攜帶了大量的實驗設(shè)備，在太空運行期間要進(jìn)行多項實驗試驗。此次天舟一號上總共搭載了40臺設(shè)備，要進(jìn)行13項太空實驗試驗，真正做到了一船多用。將要在天舟一號上進(jìn)行的太空實驗，包括新型元器件在軌驗證，空間環(huán)境探測、力學(xué)環(huán)境測量，以及生命科學(xué)方面的實驗等涉及眾多領(lǐng)域。未來我國將要建設(shè)的空間站體積龐大，在太空運行過程中難免會受到太空碎片的撞擊。
　　
　　貨運飛船是天地間運貨的工具，為我國未來空間站補(bǔ)充推進(jìn)劑、空氣、食物以及用于維護(hù)空間站的更換設(shè)備，同時也被當(dāng)作空間站的“垃圾桶”，用于回收空間站的廢棄物。貨運飛船在脫離空間站后，連同廢棄物一起在大氣層中燒毀。貨運系統(tǒng)是中國建成空間站需要突破和掌握的關(guān)鍵技術(shù)，是確保未來中國空間站在軌長期載人飛行的基本前提。
　　
　　關(guān)于三次交會對接第一次：與去年天宮二號主動調(diào)整軌道和姿態(tài)迎接神舟十一號載人飛船交會對接不同，這次出于適應(yīng)未來空間站的需要，天舟一號要適應(yīng)天宮二號的位置進(jìn)行軌道調(diào)整。第二次：天宮二號進(jìn)行180度轉(zhuǎn)向，天舟一號通過全自主繞飛，從下方繞飛到天宮二號前方進(jìn)行第二次交會對接。第三次：在6.5小時內(nèi)完成兩個航天器之間的交會對接。