蘭州空間技術(shù)物理研究所真空計(jì)量研發(fā)團(tuán)隊(duì)

        2018年1月25日，2017年度甘肅省科學(xué)技術(shù)（專利）獎(jiǎng)勵(lì)大會在蘭州隆重召開。中國航天科技集團(tuán)有限公司第五研究院第五一〇所（以下簡稱510所）“長壽命空間用空心陰極技術(shù)”“航天器高性能固面天線反射器激光刻蝕制造技術(shù)”兩項(xiàng)成果榮獲甘肅省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，“一種真空系統(tǒng)檢漏的方法”榮獲甘肅省專利一等獎(jiǎng)，受到省委、省政府的表彰。

        1962年510所在蘭州成立。五十余年來，幾代科研工作者扎根西北，立足航天，矢志不渝，刻苦鉆研，創(chuàng)造了輝煌業(yè)績，為我國航天事業(yè)從無到有，從小到大，從弱到強(qiáng)的嬗變貢獻(xiàn)了自己的一份力量。

        510所在國內(nèi)率先開展真空學(xué)基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用探索，發(fā)起中國真空學(xué)會并創(chuàng)辦《真空與低溫》學(xué)術(shù)刊物、《真空設(shè)計(jì)手冊》等專著，研制成功國內(nèi)第一個(gè)空間環(huán)境模擬設(shè)備、第一個(gè)航天員模擬訓(xùn)練艙等20多套設(shè)備，滿足了我國各型號衛(wèi)星材料及整星熱真空實(shí)驗(yàn)。率先開展空間材料效應(yīng)評價(jià)工作，研制了一批性能先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器，先后對數(shù)百種國產(chǎn)星用材料開展性能測試評價(jià)，為我國空間材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

        隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，510所憑借雄厚的技術(shù)實(shí)力不斷拓展專業(yè)領(lǐng)域，先后研制成功衛(wèi)星用雷達(dá)應(yīng)答機(jī)、輻射制冷器、表面熱控材料、銣原子鐘、銫原子鐘、離子推進(jìn)系統(tǒng)、霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)、貯箱氣瓶、空間二次電源、空間活動(dòng)部件以及飛船語音儀表系統(tǒng)等關(guān)鍵產(chǎn)品。如今，510所已發(fā)展形成了真空低溫技術(shù)、航天表面工程與特種制造技術(shù)、航天特種推進(jìn)技術(shù)、量子頻標(biāo)技術(shù)、二次電源與儀表技術(shù)等五大專業(yè)技術(shù)方向，建成了五條具有一定規(guī)模的生產(chǎn)線，在我國發(fā)射的每顆衛(wèi)星和飛船上，都有510所研制的關(guān)鍵產(chǎn)品，為載人航天、深空探測、北斗導(dǎo)航等國家重大工程發(fā)揮了重要作用。

        510所不僅在航天領(lǐng)域、武器型號方面取得碩果，而且在人才培養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新方面屢有建樹，依托真空技術(shù)與物理、空間材料行為及評價(jià)技術(shù)兩個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電推進(jìn)技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，擁有國防科技真空計(jì)量一級站和國家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心。從標(biāo)準(zhǔn)制定到學(xué)術(shù)交流，從基礎(chǔ)科研到人才培養(yǎng)，成績斐然，先后獲得有重大影響的科研成果310多項(xiàng)，許多成果填補(bǔ)了國內(nèi)空白，從1982年至今，培養(yǎng)了400多名高科技人才，成就了一支優(yōu)秀的科研隊(duì)伍，510所人也以“敢啃硬骨頭”的精神和實(shí)力在業(yè)內(nèi)贏得了普遍的認(rèn)可。

        空心陰極技術(shù)，為先進(jìn)空間電推進(jìn)裝上“搏動(dòng)的心臟”

        空間電推進(jìn)是一種先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用后可大幅縮減航天器攜帶推進(jìn)劑質(zhì)量、提升航天器有效載荷比和延長壽命，被國際宇航界公認(rèn)為十大尖端技術(shù)之一，是否應(yīng)用電推進(jìn)已成為衡量航天器先進(jìn)性和競爭力的重要標(biāo)志。

        2012年12月，由510所自主研制的“LIPS-200”離子電推進(jìn)系統(tǒng)隨“實(shí)踐九號”試驗(yàn)衛(wèi)星升空，實(shí)現(xiàn)了我國先進(jìn)電推進(jìn)技術(shù)的首次在軌驗(yàn)證飛行，其核心組件空心陰極性能表現(xiàn)優(yōu)異。之后在我國“實(shí)踐十七”“實(shí)踐十三”等衛(wèi)星上先后實(shí)現(xiàn)空間在軌應(yīng)用，后續(xù)將陸續(xù)應(yīng)用于“東方紅三B”“東方紅五”等先進(jìn)衛(wèi)星平臺和載人空間站。

        空心陰極是航天器電推進(jìn)系統(tǒng)的核心組件，在空間電推進(jìn)系統(tǒng)核心單機(jī)電推力器中源源不斷地產(chǎn)生電子，所產(chǎn)生的電子不斷轟擊推進(jìn)劑氣體使其電離，電離產(chǎn)生的離子經(jīng)過高壓電場加速后高速噴射產(chǎn)生推力，因此空心陰極的性能和壽命直接決定電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命和效能發(fā)揮，通常被業(yè)內(nèi)人士形象地比作電推進(jìn)系統(tǒng)“搏動(dòng)的心臟”。長壽命空間用空心陰極是空間電推進(jìn)的技術(shù)制高點(diǎn)之一。電推進(jìn)工程化研制初期，很多人都說憑借國內(nèi)技術(shù)條件無法研制出長壽命高可靠的空心陰極。當(dāng)時(shí)，也考慮過引進(jìn)，但一方面如果不掌握電推進(jìn)核心技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品完全國產(chǎn)化，完全自主可控目標(biāo)，另一方面空心陰極技術(shù)作為電推進(jìn)核心技術(shù)受到歐美等國的嚴(yán)格出口限制，最終510所堅(jiān)持核心在手的策略，最終掌握國產(chǎn)長壽命空間用空心陰極制造技術(shù)。

       “空心陰極，長50毫米、直徑20毫米，為這個(gè)小東西，課題組‘啃’了整整十余年。”課題組長郭寧研究員略帶風(fēng)趣地說。經(jīng)過不斷攻關(guān)，課題組先后掌握了空間用空心陰極設(shè)計(jì)和工程化相關(guān)技術(shù)，突破了設(shè)計(jì)、材料、工藝和試驗(yàn)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)，部分指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，打破了國際封鎖，在多顆衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，其研究成果在國際上也受到了廣泛關(guān)注。

       長壽命空間用空心陰極技術(shù)的攻關(guān)成功為我國航天器“插上了電推進(jìn)的翅膀”，對我國航天器跨入電推進(jìn)時(shí)代起到重要支撐作用。未來該技術(shù)將在我國通信、對地遙感、空間探測等多類衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，并進(jìn)一步支持我國載人航天、深空探測等重大專項(xiàng)任務(wù)的實(shí)施。

        天線反射器激光刻蝕制造技術(shù)，航天器與地面通信的可靠保障

        高信噪比、強(qiáng)抗干擾能力、高增益極化敏感及多頻共用固面天線是國際上先進(jìn)通信衛(wèi)星廣泛采用的技術(shù)，可有效提升衛(wèi)星整體的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益，對我國通信衛(wèi)星的水平及發(fā)展具有重要影響。但制造技術(shù)一直是阻礙其發(fā)展的主要原因。

        510所歷時(shí)十年，開發(fā)了航天器高性能固面天線反射器激光刻蝕制造技術(shù)，并在我國“中星1A”系列等多顆衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，突破了長期制約我國自主制造先進(jìn)衛(wèi)星天線的技術(shù)瓶頸。

        高性能固面天線的制造技術(shù)涉及到金屬薄膜/復(fù)合材料熱物性相差很大的材料體系的激光刻蝕制造技術(shù)，要將不耐燒蝕的復(fù)合材料基底上的金屬薄膜局部清除干凈，而不損傷基底本身，同時(shí)滿足在既大又精的部件表面實(shí)現(xiàn)微米級精度跨尺寸的加工要求。其難度可以這樣形容：用一束光，將釘在木頭里的釘子燒掉但不能燒壞木頭，而這僅是冰山一角。

        1998年510所就開始了航天器高性能固面天線反射器激光刻蝕制造技術(shù)的研發(fā)工作。在沒有相關(guān)技術(shù)資料借鑒的情況下，從基礎(chǔ)知識學(xué)起，邊學(xué)、邊摸索、邊實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)論證、驗(yàn)證，幾易其稿后確定了最終的技術(shù)方案。其中有項(xiàng)過渡層材料選擇的工作，每一種候選材料都需完成鍍膜激光刻蝕后進(jìn)行多項(xiàng)長周期的空間環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)，最終在十余種材料中只選擇出了一種適用材料；另外一項(xiàng)空間環(huán)境壽命實(shí)驗(yàn)的周期是100天，每天都要24小時(shí)不間斷。10年間光這個(gè)實(shí)驗(yàn)就先后做了3次。

       經(jīng)過兩個(gè)五年計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程化應(yīng)用研究，填補(bǔ)了國內(nèi)制造高性能天線的空白，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，也因此成為當(dāng)時(shí)國內(nèi)率先掌握該技術(shù)及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的單位。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于我國高性能航空航天飛行器的制造。

        在專業(yè)技術(shù)發(fā)展方面，課題組創(chuàng)新性地提出了高精度五自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)+掃描振鏡的圖形刻蝕加工方式，在復(fù)雜材料體系的激光刻蝕物理機(jī)理研究、光束剖面衍射變換技術(shù)、三維任意曲面上任意復(fù)雜圖案的高速刻蝕加工、空間環(huán)境適應(yīng)性研究方面取得了突破性成果，對激光刻蝕加工領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)和技術(shù)發(fā)展作出了創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)。

        在工程技術(shù)方面，成功地將研究成果應(yīng)用于先進(jìn)衛(wèi)星天線，實(shí)現(xiàn)了型號工程應(yīng)用, 在軌測試結(jié)果表明，使用激光刻蝕制造技術(shù)研制的天線性能優(yōu)異，對衛(wèi)星關(guān)鍵性能指標(biāo)的提升起到了重要作用，并為今后立足國內(nèi)制造類似部件如機(jī)載、艦載、武器裝備等電磁窗提供了通用的制造技術(shù)，取得了非常顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)也促進(jìn)了激光刻蝕裝備發(fā)展和技術(shù)水平的提升。

        新型真空檢漏技術(shù)，真空科技領(lǐng)域必不可少的保駕護(hù)航者

        真空科學(xué)與技術(shù)已有百余年的發(fā)展歷史，真空檢漏技術(shù)隨著真空應(yīng)用技術(shù)的日益廣泛而迅速發(fā)展起來，越來越成為工業(yè)生產(chǎn)和科研中的關(guān)鍵。例如，如果一套真空系統(tǒng)因?yàn)槁膺_(dá)不到所需要的真空度，生產(chǎn)和科研活動(dòng)就會受到影響甚至不能正常進(jìn)行，真空度關(guān)系到產(chǎn)品性能指標(biāo)、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。由此可見，真空系統(tǒng)的檢漏是一項(xiàng)非常重要的工作。

        所謂的真空檢漏技術(shù)就是用適當(dāng)?shù)姆椒ㄅ袛嗾婵障到y(tǒng)、容器或器件是否漏氣，并確定漏孔位置、標(biāo)定漏率大小的一門技術(shù)。真空檢漏的傳統(tǒng)方法是采用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行檢漏。該方法的缺點(diǎn)是檢漏需要消耗大量氦氣，反應(yīng)時(shí)間長、效率低、極小漏率（漏率值小于10-12 Pa˙m3/s的漏孔）檢測困難。

        隨著真空應(yīng)用行業(yè)的快速發(fā)展，對真空檢漏技術(shù)提出了更高的需求。在此背景下，510所著手開展新型真空檢漏方法的前期預(yù)研和技術(shù)攻關(guān)工作。經(jīng)過深入調(diào)研國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，項(xiàng)目組多次赴德國PTB、美國NIST等國際頂尖真空計(jì)量科學(xué)機(jī)構(gòu)開展技術(shù)交流和學(xué)習(xí)，反復(fù)論證技術(shù)方案，在將近4年的努力鉆研下，實(shí)現(xiàn)了重大理論突破，創(chuàng)新地提出了一種新型的基于大氣特征質(zhì)譜峰檢漏的新方法，克服了現(xiàn)有檢漏方法的不足之處。該方法有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，相關(guān)內(nèi)容已寫入《真空計(jì)量新技術(shù)》專著。

        如果說前期的研究攻關(guān)解決了新型基于大氣特征質(zhì)譜峰檢漏的方法和理論難題，那么接下來的工作就是如何研制基于該檢漏方法的新型檢漏儀器，這又是擺在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面前的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

        就該檢漏儀器而言，它的主要核心部件是質(zhì)譜計(jì)。因此，小型化、高靈敏度質(zhì)譜計(jì)的研制是需要解決的關(guān)鍵難題，直接影響儀器對漏率值小于10-12Pa˙m3/s的極小漏孔的檢測能力。從最初的原理樣機(jī)、中間的工程樣機(jī)到最終的成型產(chǎn)品，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了多次技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過多輪的設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)，最終成功研制出了檢漏儀專用高性能小型質(zhì)譜計(jì)。

        另一方面還要確保研制的檢漏儀器工作穩(wěn)定性高、重復(fù)性好，工作效率高。經(jīng)過對整個(gè)儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，突破了其中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最終研制成功基于大氣特征質(zhì)譜峰檢漏方法的新型檢漏儀。

        該產(chǎn)品拓寬了真空檢漏的可檢范圍，解決了極小漏孔的檢漏難題，已應(yīng)用于我國航天產(chǎn)品檢漏、微電子技術(shù)領(lǐng)域高頻微波器件的漏率檢測等領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)了真空系統(tǒng)中漏孔的高效、準(zhǔn)確和可靠檢測。對比國內(nèi)外同類儀器的技術(shù)水平，航天510所在該技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入國際先進(jìn)水平行列。

        近年來，510所抓住國家大力發(fā)展航天事業(yè)的機(jī)遇，迎來又一個(gè)快速發(fā)展期。確立了“橫向拓展，縱向提升，合作共贏，全面發(fā)展”戰(zhàn)略指導(dǎo)思想，制定了新的發(fā)展藍(lán)圖。510所始終秉承“創(chuàng)人類航天文明，鑄民族科技豐碑”的航天使命，恪守“成功、發(fā)展、民生”的治所理念，以“一流的人才、一流的技術(shù)、一流的管理”，向“造就航天最有價(jià)值的研究所”的目標(biāo)奮勇邁進(jìn)?。ɡ钗姆?王曉毅）