北斗三號核心元器件國産化率達100% 這項“卡脖子”技術來之不易

今年8月，北斗衛星導航系統正式宣佈北斗三號系統工程提前半年完成全球星座部署。

 

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

 

在中科院空天信息創新研究院，科研人員正在對一個剛剛製造完成的行波管放大器進行真空性能測試。隨後，它將搭載在我國即將發射的高分衛星上，在上萬公里遠的太空，完成對地數據傳輸任務。今年，對於行波管科研團隊來説，收穫滿滿。過去的五年時間，他們陸續為北斗三號系統交付了130余套行波管和放大器，保障了北斗工程的順利建設。

 

 

中科院空天信息創新研究院研究員 繆國興：它是通過一些精密複雜的結構，來實現電子和電磁波的能量交換，然後把電磁波放大到幾百瓦，實現遠距離的信號傳輸。然後，它在衛星還有通信、包括雷達各個方面都有非常多的應用。

 

 

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“保質期”，團隊面臨很多技術挑戰。

 

 

央視記者 張春玲：這一個小小的發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。就可以發射出高速電子，電子和電磁場在微米級精度的螺旋線裏進行能量交換。把微波的信號放大幾萬倍後，信號就能從太空傳到地面。

 

 

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

 

 

中科院空天信息創新研究院研究員 繆國興：從實驗室産品到衛星的這個工程化産品，有一些現象是我們在實驗室裏沒有遇到過的，還有我們要保證這個器件在衛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。

 

 

為了能夠迅速實現關鍵元器件的國産化，行波管研發團隊開啟了晝夜實驗模式。他們設計了多個方案並行研製，同步開展實驗驗證，大大提高了研發效率。

 

 

中科院空天信息創新研究院研究員 繆國興：我們科研工作者這麼多年的積累，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都是一個加班加點的狀態，特別是在過程裏出現一些問題或者故障的時候，更是要幾倍的工作量來實現這個故障的排除。

 

 

經過兩年的持續攻關，2015年3月這個由我國全自主研發的行波管放大器隨北斗衛星發射升空。十三五期間，科研團隊已經陸續為北斗三號系統交付了130余套行波管及放大器保障了北斗工程的順利建設。在空間行波管及放大器國産化需求的拉動下，目前其産品已覆蓋國內航天應用的各個波段，包括北斗、遙感、通信等近60個衛星工程型號。

 

 

中科院空天信息創新研究院研究員 繆國興：以前老説科學院只是做研究，實際上通過這個過程我覺得我們科學院在這種工程應用方面（在這個裏面）積累的經驗和得到的這種鍛鍊和提升也是非常大的，所以我們應該説是具備了從研究到工程應用整體，整個科研過程的一個能力，而且在這個過程裏，工程應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産化進程的不斷深入，中科院的研發團隊將在性能、功率、穩定性等多方面進行不斷的技術迭代和提升。

 

未來，這一技術將有望在深空探測等航天工程中實現更廣泛的應用。

 

如果説，在十三五期間，科研團隊主要攻克了性能、穩定性等這些核心技術指標，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，以滿足科研探索和工程應用等多方面的需求。

 

 

中科院空天信息創新研究院研究員 張志強：從發展的角度講，我們行波管作為真空電子學領域的一個分支，逐步從分米波到釐米波到毫米波，甚至到太赫茲頻段這樣的趨勢在發展。那麼為什麼頻率越來越高，未來在通信當中主要解決這個大頻寬，高的數據通量，這樣的一個通訊能力。這也是真空電子學器件的一個發展趨勢。

 

 

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

 

 

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