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非凡匠心,十年磨一剑
发布日期:2017年08月01日    信息来源:中国航天科工集团公司二院203所 字体:【】【】【

——记航天科工二院203所星载铷钟负责人杨同敏


  杨同敏是中国航天科工集团公司二院203所星载铷钟负责人,他平时言语不多,但句句珠玑,有着山东汉子的朴实,同时兼具科研工作者的严谨,从2007年参加工作时就开始接触铷钟,恰逢北斗二代第一颗试验卫星发射升空,就与铷钟结下了不解之缘,在这个岗位十年磨一剑。先后获得二院提高两率劳动竞赛先进个人、质量提升贡献先进奖称号。


  星载原子钟是卫星导航定位系统的核心,为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号。其输出的时间频率信号的稳定性直接决定着定位和导航精度,原子钟在无地面监测站进行校准的情况下,可为导航卫星系统提供一定时期的时间自主保持能力。


  原子钟需要手工精心打磨,要做到万无一失


  星载铷钟是非常精密的产品,它必须花费时间来打磨,需要设计师精雕细作,“这可能是一个普通的调试工人、试验工人很难完成的工作,做出一台就必须是“健康”的一台,这样上天之后才能万无一失。”杨同敏饱含深情地说道。


  铷钟调试完之后,需要在地面进行三、四个月的“考核”,经过力学、高低温、老化测试等各项试验测试,每个试验前前后后都需要对数据进行对比、分析、确认,产品经过严酷的环境考核之后方能上天。这个时候更是考察设计师的耐心和细致观察力的时候了,因为钟只要一加上电,就不能停下来了,这时候要24小时连轴转,每时每刻都有新的数据产生,对这些数据分析就是对产品状态评估关键过程,对外人看来一段杂乱无序的频率数据曲线,恰恰是他们所要获得的最好素材,一个有经验的设计师可以通过这些数据“洞察”出产品当前以及未来的工作状态。“我们就要像钟一样连轴转,钟就像我们的孩子一般,倾注了大家的全部心血。每台测试机里面都保存着铷钟“成长”过程中的全部“体健”数据。”杨同敏说道。这需要有强烈的责任心,对产品认真负责的态度,我们将100%的经历都投入到了铷钟的研制生产中。自始自终跟着铷钟的生产过程,从电装过程到电路调试,再到整机试验及测试每一步都要精心、细致观察。


  在一次测试过程中,发现整机频率跳变,该现象发生在环境温度变化过程中,环境变温过程中铷钟整机控温电流有变化。通过对遥测参数的排查,经验告诉他,应该是微波功率发生了微小变化,然而,控温电流与微波功率是毫无瓜葛的,信号上也是分离的,这就引入了他进一步思索,通过多方面排故,最终还是断定微波功率出现了小变化。后来产品开盖检查,发现控温电流通过一段导线传导出去,导线为了释放应力,使其自然弯曲,但弯曲形状正好形成一个圈,圈的位置在微波匹配电路上方,控温大电流在导线内流动时形成了一个磁场,正是这个磁场变化影响到了微波匹配电路的参数变化,随之造成了微波功率的变化。分析之后,将该导线释放应力的形状和位置改变,避免较大的静态磁场出现,导线长度上也有所剪短。完后微波功率不再出现变化,频率跳变现象消失。就是通过这样不断的细致观察,发现问题,我们对铷钟有了更新的认识。产品在生产过程中的任何一个偶然发生的小问题,都绝不能放过。问题分析不透,我们对铷钟就心里没谱,只有小问题修复了,大问题才不会发生。


  只有将原理摸透了,我们才会做到心里有数


  不同批次的铷钟真空开机50分钟后,才能进行下一步指令操作,不同阶段完成操作后的遥测状态会稍有不同,主要原因是铷钟是多控温系统,每步操作均会影响到控温系统再平衡,而温度的平衡还会受到环境真空度的影响,多种因素交织在一起,会对铷钟的理解和使用变得相对复杂。


  当发送一个铷灯的电压切换指令,激励铷灯发光的振荡电路电源从高电压切换到低电压,有时切换后光强值变的特别小,近乎于铷灯要灭的状态,而此时铷钟还稳稳的锁定,并没有失锁,这对用户的使用会带来疑问。光强值的变化可以通过遥测曲线异常来发现。通过仔细排查,大家发现,这个问题与电压切换时间以及当时的真空度有关,由于铷灯组件的密封相对较好,气体出来的比较慢,花费的时间比较长,而铷钟加电后,由于内部组件温度升高,多种材料的排气率又进一步升高,导致铷灯组件真空度进一步降低,热对流现象会更明显。


  杨同敏说道:“设计过程中,真空中的铷灯周围没有气体,不会产生热对流,但这只是理论分析。由于铷灯周围温度超过100℃,除热传导外,恰恰又是热对流的存在导致灯头热量进一步散失,灯电压切低后热源减小,温度降低导致光强值很小,达到近乎铷灯熄灭状态。后期由于真空度的提高,热平衡状态再次建立,光强值逐渐升高。”


  找到问题症结所在,杨同敏带领团队成员,采取措施解决了问题。真空状态就是要维持长一些,开机后发送下一步指令时间长一点。看似简单的措施是建立在对问题机理分析的到位以及试验充分验证的基础之上,包含了原子钟研制队伍谨慎、细致、追求真理的工作作风。杨同敏说道:“查明问题原因后,对产品可靠性的影响,我们就会做到心里有数,不是产品本身有问题,而是我们使用时要注意到的每台产品的特点,以及测试环境、测试设备对数据造成的影响。通过试验进行多次复现,充分验证,采取措施,产品继续按照研制流程走下去。我们就是要将问题原理摸得十分透彻。”


  通过严格监测,尽量减少环境对铷钟的影响


  铷钟是个非常“娇气”的设备,任何风吹草动都会对它产生影响,为此卫星仓内也专门给他设置了一个恒温“小房子”。地面试验室由于有空调制冷,在温度达到设定值26度压缩机就会停,造成房间内会有2~3℃的周期性的温度变化,会对测试设备有影响,导致测试曲线有波动。我们就用纸盒子把测试设备保护起来,减少了温度对设备的影响,效果立竿见影。


  杨同敏谈到:“我们发现,铷钟在真空中,温度不能波动太大,导致温度变化的关键的因素有辐射、传导。一旦产品装机完成,传导到因素是个固定量,基本不在变化,此时只有尽量环境温度波动,减少辐射量变化,铷钟内部由多达四、五个控温点,其中铷钟内部每一个控温点波动,会立刻反应在整钟的输出信号的曲线波动上,而我们采取了电路中几个关键的元器件温度控制,把温度系数控制好,整个电路系统的温度系数就会小。因而整机的长稳、天稳各项指标随之提高。”


  今年任务量大幅度增长,科研任务异常艰巨。星载铷钟研制团队,年轻同志较多,研制过程中他带出了很多原子钟技术人才,俗话说穷人孩子早当家,虽然大部分年轻设计师只有两三年的工作经历,但也都可以各自独挡一面,面对今年的研制任务需求,工作上井井有条,产品质量上环环把控,确保产品质量第一。北斗在高高的太空中遨游,原子钟人却很少有时间抬头去仰望星空,他们在低头躬身于眼前的美丽原子钟,让中国的北斗成为世界上最精最准最稳的导航定位系统。不久的将来,北斗导航系统建立完毕后,每个国人将会切身感受到祖国的强大。

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