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记中国航天科技集团有限公司第五研究院第五一〇研究所

2018-4-17 14:45| 发布者: admin| 查看: 1325| 评论: 0|来自: 科技日报

摘要: 兰州空间技术物理研究所真空计量研发团队 2018年1月25日,2017年度甘肃省科学技术(专利)奖励大会在兰州隆重召开。中国航天科技集团有限公司第五研究院第五一〇所(以下简称510所)“长寿命空间用空心阴极技术”“ ...

兰州空间技术物理研究所真空计量研发团队

        2018年1月25日,2017年度甘肃省科学技术(专利)奖励大会在兰州隆重召开。中国航天科技集团有限公司第五研究院第五一〇所(以下简称510所)“长寿命空间用空心阴极技术”“航天器高性能固面天线反射器激光刻蚀制造技术”两项成果荣获甘肃省科技进步一等奖,“一种真空系统检漏的方法”荣获甘肃省专利一等奖,受到省委、省政府的表彰。

        1962年510所在兰州成立。五十余年来,几代科研工作者扎根西北,立足航天,矢志不渝,刻苦钻研,创造了辉煌业绩,为我国航天事业从无到有,从小到大,从弱到强的嬗变贡献了自己的一份力量。

        510所在国内率先开展真空学基础理论研究和工程应用探索,发起中国真空学会并创办《真空与低温》学术刊物、《真空设计手册》等专著,研制成功国内第一个空间环境模拟设备、第一个航天员模拟训练舱等20多套设备,满足了我国各型号卫星材料及整星热真空实验。率先开展空间材料效应评价工作,研制了一批性能先进的实验仪器,先后对数百种国产星用材料开展性能测试评价,为我国空间材料的选择和结构设计提供了科学依据。

        随着我国航天事业的快速发展,510所凭借雄厚的技术实力不断拓展专业领域,先后研制成功卫星用雷达应答机、辐射制冷器、表面热控材料、铷原子钟、铯原子钟、离子推进系统、霍尔电推进系统、贮箱气瓶、空间二次电源、空间活动部件以及飞船语音仪表系统等关键产品。如今,510所已发展形成了真空低温技术、航天表面工程与特种制造技术、航天特种推进技术、量子频标技术、二次电源与仪表技术等五大专业技术方向,建成了五条具有一定规模的生产线,在我国发射的每颗卫星和飞船上,都有510所研制的关键产品,为载人航天、深空探测、北斗导航等国家重大工程发挥了重要作用。

        510所不仅在航天领域、武器型号方面取得硕果,而且在人才培养和技术创新方面屡有建树,依托真空技术与物理、空间材料行为及评价技术两个国家重点实验室,电推进技术省级重点实验室,拥有国防科技真空计量一级站和国家低温容器质量监督检验中心。从标准制定到学术交流,从基础科研到人才培养,成绩斐然,先后获得有重大影响的科研成果310多项,许多成果填补了国内空白,从1982年至今,培养了400多名高科技人才,成就了一支优秀的科研队伍,510所人也以“敢啃硬骨头”的精神和实力在业内赢得了普遍的认可。

        空心阴极技术,为先进空间电推进装上“搏动的心脏”

        空间电推进是一种先进推进技术,应用后可大幅缩减航天器携带推进剂质量、提升航天器有效载荷比和延长寿命,被国际宇航界公认为十大尖端技术之一,是否应用电推进已成为衡量航天器先进性和竞争力的重要标志。

        2012年12月,由510所自主研制的“LIPS-200”离子电推进系统随“实践九号”试验卫星升空,实现了我国先进电推进技术的首次在轨验证飞行,其核心组件空心阴极性能表现优异。之后在我国“实践十七”“实践十三”等卫星上先后实现空间在轨应用,后续将陆续应用于“东方红三B”“东方红五”等先进卫星平台和载人空间站。

        空心阴极是航天器电推进系统的核心组件,在空间电推进系统核心单机电推力器中源源不断地产生电子,所产生的电子不断轰击推进剂气体使其电离,电离产生的离子经过高压电场加速后高速喷射产生推力,因此空心阴极的性能和寿命直接决定电推进系统的寿命和效能发挥,通常被业内人士形象地比作电推进系统“搏动的心脏”。长寿命空间用空心阴极是空间电推进的技术制高点之一。电推进工程化研制初期,很多人都说凭借国内技术条件无法研制出长寿命高可靠的空心阴极。当时,也考虑过引进,但一方面如果不掌握电推进核心技术,很难实现产品完全国产化,完全自主可控目标,另一方面空心阴极技术作为电推进核心技术受到欧美等国的严格出口限制,最终510所坚持核心在手的策略,最终掌握国产长寿命空间用空心阴极制造技术。

       “空心阴极,长50毫米、直径20毫米,为这个小东西,课题组‘啃’了整整十余年。”课题组长郭宁研究员略带风趣地说。经过不断攻关,课题组先后掌握了空间用空心阴极设计和工程化相关技术,突破了设计、材料、工艺和试验等多项关键技术,实现了预期设计指标,部分指标优于设计值,打破了国际封锁,在多颗卫星上实现了应用,其研究成果在国际上也受到了广泛关注。

       长寿命空间用空心阴极技术的攻关成功为我国航天器“插上了电推进的翅膀”,对我国航天器跨入电推进时代起到重要支撑作用。未来该技术将在我国通信、对地遥感、空间探测等多类卫星实现广泛应用,并进一步支持我国载人航天、深空探测等重大专项任务的实施。

        天线反射器激光刻蚀制造技术,航天器与地面通信的可靠保障

        高信噪比、强抗干扰能力、高增益极化敏感及多频共用固面天线是国际上先进通信卫星广泛采用的技术,可有效提升卫星整体的技术水平和经济效益,对我国通信卫星的水平及发展具有重要影响。但制造技术一直是阻碍其发展的主要原因。

        510所历时十年,开发了航天器高性能固面天线反射器激光刻蚀制造技术,并在我国“中星1A”系列等多颗卫星上实现了应用,突破了长期制约我国自主制造先进卫星天线的技术瓶颈。

        高性能固面天线的制造技术涉及到金属薄膜/复合材料热物性相差很大的材料体系的激光刻蚀制造技术,要将不耐烧蚀的复合材料基底上的金属薄膜局部清除干净,而不损伤基底本身,同时满足在既大又精的部件表面实现微米级精度跨尺寸的加工要求。其难度可以这样形容:用一束光,将钉在木头里的钉子烧掉但不能烧坏木头,而这仅是冰山一角。

        1998年510所就开始了航天器高性能固面天线反射器激光刻蚀制造技术的研发工作。在没有相关技术资料借鉴的情况下,从基础知识学起,边学、边摸索、边实验,经过反复论证、验证,几易其稿后确定了最终的技术方案。其中有项过渡层材料选择的工作,每一种候选材料都需完成镀膜激光刻蚀后进行多项长周期的空间环境验证试验,最终在十余种材料中只选择出了一种适用材料;另外一项空间环境寿命实验的周期是100天,每天都要24小时不间断。10年间光这个实验就先后做了3次。

       经过两个五年计划的关键技术攻关和工程化应用研究,填补了国内制造高性能天线的空白,达到了国际先进水平,也因此成为当时国内率先掌握该技术及实现应用的单位。目前该技术已成功应用于我国高性能航空航天飞行器的制造。

        在专业技术发展方面,课题组创新性地提出了高精度五自由度移动机构+扫描振镜的图形刻蚀加工方式,在复杂材料体系的激光刻蚀物理机理研究、光束剖面衍射变换技术、三维任意曲面上任意复杂图案的高速刻蚀加工、空间环境适应性研究方面取得了突破性成果,对激光刻蚀加工领域的理论基础和技术发展作出了创新性的贡献。

        在工程技术方面,成功地将研究成果应用于先进卫星天线,实现了型号工程应用, 在轨测试结果表明,使用激光刻蚀制造技术研制的天线性能优异,对卫星关键性能指标的提升起到了重要作用,并为今后立足国内制造类似部件如机载、舰载、武器装备等电磁窗提供了通用的制造技术,取得了非常显著的社会和经济效益。同时也促进了激光刻蚀装备发展和技术水平的提升。

        新型真空检漏技术,真空科技领域必不可少的保驾护航者

        真空科学与技术已有百余年的发展历史,真空检漏技术随着真空应用技术的日益广泛而迅速发展起来,越来越成为工业生产和科研中的关键。例如,如果一套真空系统因为漏气达不到所需要的真空度,生产和科研活动就会受到影响甚至不能正常进行,真空度关系到产品性能指标、生产成本和生产周期。由此可见,真空系统的检漏是一项非常重要的工作。

        所谓的真空检漏技术就是用适当的方法判断真空系统、容器或器件是否漏气,并确定漏孔位置、标定漏率大小的一门技术。真空检漏的传统方法是采用氦质谱检漏仪进行检漏。该方法的缺点是检漏需要消耗大量氦气,反应时间长、效率低、极小漏率(漏率值小于10-12 Pa˙m3/s的漏孔)检测困难。

        随着真空应用行业的快速发展,对真空检漏技术提出了更高的需求。在此背景下,510所着手开展新型真空检漏方法的前期预研和技术攻关工作。经过深入调研国内外技术现状,项目组多次赴德国PTB、美国NIST等国际顶尖真空计量科学机构开展技术交流和学习,反复论证技术方案,在将近4年的努力钻研下,实现了重大理论突破,创新地提出了一种新型的基于大气特征质谱峰检漏的新方法,克服了现有检漏方法的不足之处。该方法有我国自主知识产权,相关内容已写入《真空计量新技术》专著。

        如果说前期的研究攻关解决了新型基于大气特征质谱峰检漏的方法和理论难题,那么接下来的工作就是如何研制基于该检漏方法的新型检漏仪器,这又是摆在项目团队面前的一项重大挑战。

        就该检漏仪器而言,它的主要核心部件是质谱计。因此,小型化、高灵敏度质谱计的研制是需要解决的关键难题,直接影响仪器对漏率值小于10-12Pa˙m3/s的极小漏孔的检测能力。从最初的原理样机、中间的工程样机到最终的成型产品,项目团队先后进行了多次技术攻关,经过多轮的设计、工艺改进,最终成功研制出了检漏仪专用高性能小型质谱计。

        另一方面还要确保研制的检漏仪器工作稳定性高、重复性好,工作效率高。经过对整个仪器结构进行系统优化设计,突破了其中的多项关键技术,最终研制成功基于大气特征质谱峰检漏方法的新型检漏仪。

        该产品拓宽了真空检漏的可检范围,解决了极小漏孔的检漏难题,已应用于我国航天产品检漏、微电子技术领域高频微波器件的漏率检测等领域。实现了真空系统中漏孔的高效、准确和可靠检测。对比国内外同类仪器的技术水平,航天510所在该技术领域已经进入国际先进水平行列。

        近年来,510所抓住国家大力发展航天事业的机遇,迎来又一个快速发展期。确立了“横向拓展,纵向提升,合作共赢,全面发展”战略指导思想,制定了新的发展蓝图。510所始终秉承“创人类航天文明,铸民族科技丰碑”的航天使命,恪守“成功、发展、民生”的治所理念,以“一流的人才、一流的技术、一流的管理”,向“造就航天最有价值的研究所”的目标奋勇迈进!(李文峰 王晓毅)


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