为航天器装上“慧眼”

——尤政带领团队完成的“先进空间光学姿态敏感器技术”项目获2012年度国家技术发明奖二等奖

实习记者 张瀛辰

 

  图为尤政(右二)和团队成员们在实验室。

  项目介绍

  【项目名称】先进空间光学姿态敏感器技术

  【项目完成人】尤政  邢飞  张高飞 陈非凡  丁天怀

  【项目介绍】项目团队在空间光学姿态敏感器技术领域开展了系统深入的研究,在新原理、新方法、新技术等方面提出 5项核心发明,在系统集成方面有4项重要创新,有针对性地突破了各项技术瓶颈,推动了光学姿态敏感器技术的发展。形成了以“太阳敏感器”、“星敏感器”为典型代表的微型化高性能空间光学姿态敏感器件及集成系统的基本原理、设计与标定测试方法体系,研制了满足不同类型航天器、各种空间任务需求的新型光学姿态敏感器产品系列,并在一系列卫星中得到应用,整体技术处于国际领先水平。

  在精密仪器系系馆一层的展示室里,陈列着各类型表头单元、芯片、敏感器、微系统,甚至是微纳卫星,这些科研成果无不凝结了精仪系教授尤政及其团队的心血,也给整个团队赢得了很多荣誉。2013年1月,尤政等完成的“先进空间光学姿态敏感器技术”项目获得2012年度国家技术发明奖二等奖,再次为这个团队添上荣耀的光环。

十年磨一剑 在尖端技术领域攻坚克难

  对于尤政而言,国家技术发明奖这样的荣誉并不陌生,奖项是其次,重要的是能为科学技术发展、为国家民族的振兴作出实实在在的贡献。从1995年开始接触微纳技术起,尤政带领的团队已经在基于MEMS(微机电系统)的航天器功能部件的微型化方面取得了一批具有国际先进水平的创新成果。同时,团队还在我国率先开展了微小卫星技术的创新与工程实践。

  十多年来,团队始终坚持在这一尖端技术领域不断攀登,攻克了一个又一个“山峰”。此次获奖的空间光学姿态敏感器具有姿态测量精度高、无漂移、工作寿命长等特点,是航天器赖以生存和性能提升的基础性、关键性器件,在对地遥感、深空探测、空间攻防等航天应用中具有重要的战略意义。

  而精仪系的传统历史,也让尤政和我国的国防事业结下了不解之缘。一方面,尤政在微纳米这一交叉学科尖端领域不断开拓创新,另一方面,他们又不断致力于使成果能够应用于我国的国防事业。尤其是航天领域的特殊性,注定了“十年磨一剑”的科研艰辛——从原理创新到系统实现,再经过工程研制直到搭载卫星发射进行空间试验。对此,尤政感叹道:“一个‘轮回’近十年,但也只有当一个项目经历过完整的轮回,才能真正出成果。”

  对于这些敏感器,尤政用了“高端”一词来形容。“原理是创新性的,是‘高端’的。”尤政说,“另一方面,我们使用的是商业器件,不但性能高,价格也较便宜。而实际运行过程中,这样研发出来的敏感器在轨精度和抗干扰能力甚至优于国外同类产品。这实际上也是走出了一条新路子。”

  这十多年的研究中,尤政及其团队“刺”出的不是“一剑”、“两剑”,而且每一“剑”都经过了近十年的锤打磨练,厚积薄发。

开弓没有回头箭 以高技术保证“一击即中”

  由于团队科研成果直接与航天挂钩,除了研究周期长以外,团队所面临的另一个问题就是敏感器件一旦随卫星上天,即使发现问题也难以修改。这就要求地面科研时,完成的项目产品具有相当高的技术成熟度。

  “开弓没有回头箭。”团队的另一位主要研究人员邢飞解释道,“我们研发的敏感器件并不像地面产品,一旦在运行中出现问题,可以及时修改。敏感器一旦‘上天’,很难再做改动。所以,在此之前,必须考虑在轨运行可能会出现的各种情况,做充分的地面模拟实验。”

  由于在太空中运行时空间环境的巨大差异,尤政及其团队需要对敏感器进行大量的元器件级、板级和系统级的空间应用环境试验,如在特定的温度、真空度和光照下进行高低温循环实验等。而这样的实验一做就是几天几夜,团队人员轮流值班监测状态,只为确保“上天”后器件运行的圆满成功。在地面实验中,失败是常有的事,而这也意味着另一场好几个24小时不停歇的车轮战。

  尤其是到了发射场,在近两个月的时间里,团队研究人员都集中于系统的联调测试工作。敏感器系统在发射场需要与卫星各分系统、火箭等进行最后环节的测试和确认,包括螺丝的防松、电缆连接的锁紧、热控多层的缝合、光学系统的清洁,以及电子通信的稳定等。诸如此类的问题看似不大,却很可能成为“溃堤之穴”。正因如此,研究人员细致地考虑到每个方面,一再测试,以保证产品万无一失。

  经过长时间的探索和实验积累,团队逐步探索出了一条在轨进行各种工程参数修订和软件重载的新式航天产品研发之路,如今团队所设计和研发的各种传感器都可以在轨修复软件问题。但即便如此,团队的每一位研究人员都不会有任何松懈,坚持以高技术成熟度保证“一击即中”。

求真务实 理论创新配合工程应用

  尤政团队所从事的研究在很多人眼里深不可测,但对他们而言,这些创新技术也是从需求出发,并非天马行空那般难以企及。

  “不能为了创新而创新,所谓的论文数目、专利数目,绝对不是全部。成果真正得到应用,才是最大的肯定。”尤政始终强调应用,他认为核心技术只有通过工程应用,才能证明是好的创新。先进空间光学姿态敏感器技术不仅在原理上创新,更经过了工程试验的考验,此次获奖可谓实至名归。在尤政看来,高校的科研创新也应该结合国家需求,做到“需求牵引、技术推动”,实现双赢。

  不仅如此,尤政团队的项目成果不但“上得了天”,还“入得了地”。这些看似“高高在上”的研究成果不仅可以用于国防等高端领域,也可以“下嫁”于商用、民用,比如机械制造、光学仪器、纳米技术等等。团队在2011年同样获得国家技术发明奖的项目基于微纳技术的新型超级电容器就是一个很好的例子。该项目通过与企业合作,将超级电容器相关成果转化,形成具有高储能、大功率、长寿命、免维护、无污染等优点的系列产品,并成功应用于在大功率电源设备、电动车电源等工业与民用领域。

  这也正是尤政最愿意看到的项目成果——能够在未来转化为社会生产力,具有广阔的产业化前景,造福民众。对于尤政而言,得奖并不重要,务实才是关键。科研的创新点正应该落在利国利民的实质性贡献上,为国家社会发展添砖加瓦。 

科研如战场 在团队中奋斗与成长

  谈到自己所带领的团队,尤政认为一是务实,二是有凝聚力,每一位研究人员都在团队合作中有所成长。

  2002年,邢飞加入了尤政的团队。“当时觉得尤政研究的领域很踏实,这样一个充满创新的领域是可以一生为之奋斗的。”邢飞认为,这也是未来重点发展的领域,是一个充满机遇的研究方向。而事实证明,他的想法完全正确。

  团队在对光学姿态敏感器件进行空间应用环境试验时,连续几天几夜的奋战早已是家常便饭。而微小卫星在轨运行时,由于轨道和通信区域的限制,一天中地面站只可以实时接收到两到三次的轨道数据,时间也往往是后半夜。为了能第一时间掌握数据以进行跟踪观察,邢飞和战友们往往夜半时分仍然坚守在第一线。邢飞形容每一次研究和测试都像一场战役:“战前必须严格训练,但只要打了‘胜仗’,这些付出就都是值得的。”

  熬夜几乎成了基本功,但这远远不是全部。对于研究人员而言,还有一项工作是要撰写大量的工程性文档,详细地记录每次操作细节和实验现象,时刻做到有据可查。这样的文档一写就是几百份,千篇一律,难免枯燥。尤政强调,这虽然是机械性工作,但却是工程训练的一部分,也是科研人员的基本素质之一。

  无论是创新性工作还是“重复性”工作,务实、坚持、严谨是团队每一位研究人员收获的品质。尤政为每一位研究人员提供了广阔的发展空间。在他的眼里,团队只是提供一个大的成长环境,每个人都可以自由地汲取不同养分。尤政认为,成员们的不断成长,其实也正是团队的不断发展壮大,这能够为下一个科研成果的诞生奠定坚实的基础。

   来源:新清华2013-06-14

 

2013年06月17日 13:24:59  清华新闻网

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