《電子技術(shù)應(yīng)用》
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航天工業(yè)促進(jìn)半導(dǎo)體工業(yè),國內(nèi)兩次火箭發(fā)射失敗都因缺少美國芯片?

2020-04-16
來源:與非網(wǎng)

與非網(wǎng) 4 月 15 日訊,近日,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運(yùn)載火箭發(fā)射印度尼西亞 PALAPA-N1 衛(wèi)星失利,這是在 3 月 17 日長征七號甲火箭首飛失利之后,一個(gè)月內(nèi)第二次發(fā)射失利了,不免引起了大家的猜測和質(zhì)疑。

 

據(jù)臺(tái)媒報(bào)道稱,中國火箭 1 個(gè)月內(nèi) 2 次發(fā)射失敗,主要原因或是缺少美國芯片。該報(bào)道還引用一位中國臺(tái)灣軍事專家的說法稱,中國火箭發(fā)展依賴美國芯片,但中美貿(mào)易戰(zhàn)后美國政府加強(qiáng)管制芯片出口,使中國的航天事業(yè)受到?jīng)_擊。

 

《德國之聲》指出,相較新一代的長征七號,長征三號乙技術(shù)較為成熟、最新卻發(fā)射失敗,更受關(guān)注。在此之前,作為中國用于商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的主力火箭,長征三號乙在其截止目前的 67 次發(fā)射中,僅有 3 次失利記錄,分別為 1996 年首次發(fā)射、2009 年發(fā)射印尼帕拉帕 D 通訊衛(wèi)星、2017 年發(fā)射中星 9A 廣播電視直播衛(wèi)星。

 

據(jù)公開資料,在 2017 年 6 月發(fā)射失敗后,長征三號乙之后連續(xù) 30 次都順利完成任務(wù),是北斗三號的御用火箭。

 

芯片對火箭發(fā)射成功率有這么大作用嗎?
這可以從芯片工業(yè)和航天工業(yè)的起步說起。廣義地說,從 1946 年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世,或者從 1947 年晶體管問世開始算起,芯片工業(yè)就起步了。這些電子器件構(gòu)成了蘇聯(lián)和美國早期載人航天飛船上控制電路,當(dāng)時(shí)很多軌道校正需要計(jì)算,不過算力要求不高。

 

現(xiàn)在的火箭或航天飛船加了很多狀態(tài)檢測傳感器,再加上抗震抗輻射的冗余設(shè)計(jì),芯片用量大大翻倍。有業(yè)內(nèi)專家分析,雖然火箭上的計(jì)算機(jī)和姿態(tài)控制系統(tǒng),需要大量的處理器和傳感器芯片,但并沒有到“沒有美國芯片,全球火箭都飛不了”的地步。因?yàn)槠鋵?shí)相對于一些消費(fèi)級、工業(yè)級的芯片,航天器上的處理器對可靠性的要求遠(yuǎn)大于高性能,主要集中在物理性能上。

 

比如上個(gè)世紀(jì) 1961 年開始的阿波羅計(jì)劃,那個(gè)時(shí)候集成電路剛剛發(fā)明兩三年,也還沒發(fā)明磁盤,用的都是電磁線圈存儲(chǔ)數(shù)據(jù),整臺(tái)計(jì)算機(jī)室重達(dá)幾百公斤的大怪物,把它裝進(jìn)飛船對當(dāng)時(shí)的科學(xué)家和工程師是極大的挑戰(zhàn)。雖然那時(shí)的集成電路里面才一兩個(gè)晶體管而已,但個(gè)頭很大。即使為了減輕重量(最后只有 32 公斤),這個(gè)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)還是用了 30000 個(gè)零件,花了 2000 人年的手工裝配起來。

 

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)極其緊湊和模塊化

當(dāng)年阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度為 0.43MHz,算力還不如現(xiàn)在一個(gè)袖珍計(jì)算器;隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM),阿波羅 11 號的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)只有 2~4KB 內(nèi)存;存儲(chǔ)空間,阿波羅計(jì)算機(jī)僅有 72KB……這樣的條件下,阿波羅計(jì)算機(jī)在機(jī)器代碼級進(jìn)行了精心編程,一樣把火箭送上了天。

 

據(jù)知乎作者@和尚洗頭用飄柔 稱,當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)核心沒有單片處理器,而是一個(gè)布滿簡單芯片的板子,其處理頻率表面上看只有可憐的 80000 次 / 秒。而在沒有磁盤的年代,存儲(chǔ)基本信息要靠編織女工們手工編的線纜矩陣——“磁芯”用于表示 0 與 1。

 

航天工業(yè)促進(jìn)半導(dǎo)體工業(yè)
即便如此,當(dāng)年阿波羅的制導(dǎo)計(jì)算機(jī)那也是最牛配置,體積小,功耗低,計(jì)算力強(qiáng),這樣的性能,只能用美國研究實(shí)驗(yàn)室剛搞出來的新物件:集成電路和芯片才能搞定。據(jù)說當(dāng)年(1963-1969 年間),阿波羅計(jì)劃 75 臺(tái)設(shè)備消耗了全世界所有集成電路的一半。登月工程也從另一個(gè)方面極大促進(jìn)了半導(dǎo)體業(yè)的發(fā)展,今天全世界人們的電子化生活,都和這個(gè)項(xiàng)目有很大關(guān)系。

 

后來 70 年代,為什么不用已經(jīng)很成熟的英特爾或者摩托羅拉處理器?因?yàn)橄M(fèi)級電子和航天級的可靠性差了不是一點(diǎn)點(diǎn),沒有任何一種消費(fèi)類電子產(chǎn)品能夠經(jīng)受起航天器發(fā)射、載入時(shí)的震顫與沖擊,在外層空間還要經(jīng)受嚴(yán)重的太空輻射,這些航天級部件必須經(jīng)過專門設(shè)計(jì)和加工,就算是馬斯克的 SpaceX 也不可能直接貼個(gè)英特爾的處理器就想飛。

 

現(xiàn)在的航天工業(yè)則進(jìn)入了可編程邏輯門陣列(FPGA)集成電路時(shí)代,這也是為什么 4 月初美國出臺(tái)新規(guī)中,收緊民用 FPGA 出口渠道的原因。美國對中國的軍民一體化的國家發(fā)展戰(zhàn)略十分敏感,這個(gè)這略的目的是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也把中國的軍力提升起來。美國認(rèn)為,無法判斷 FPGA 賣給中國后,會(huì)不會(huì)用于民用外的其他目的,比如軍事、航天。

 

這次由于火箭是在三級分離時(shí)爆炸,因此相對于芯片,材料、燃料和 YF-75 發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致爆炸的原因更大。如果有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)二次點(diǎn)火沒點(diǎn)著,就會(huì)導(dǎo)致提前關(guān)機(jī),出現(xiàn)視頻中的姿態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象;燃料方面,中國也正在升級換代,由煤油向液氫轉(zhuǎn)換,上個(gè)月的長征七號改就是一個(gè)例子。航天是一個(gè)系統(tǒng)工程,除了核心人員,誰都不能確定到底火箭是為什么發(fā)射失敗的,況且在 2019 年中美貿(mào)易戰(zhàn)發(fā)生之前,這顆火箭早就造好了,當(dāng)時(shí)也不存在禁運(yùn)問題。

 

關(guān)于長征三號乙
長征三號乙運(yùn)載火箭(中文名稱:長征三號乙火箭)也叫 CZ-3B 和 LM-3B,為中國自主研發(fā)的軌道運(yùn)載火箭,于 1996 年在四川西昌衛(wèi)星發(fā)射中心 2、3 號發(fā)射平臺(tái)首次發(fā)射。長征三號乙火箭是長征三號火箭家族中繼最重級長征五號系列的第二個(gè)重量級大型三級液體捆綁火箭,主要用于發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道通信衛(wèi)星。

 

為提高火箭的 GTO 運(yùn)載能力參數(shù)并提升更重的軌道通信衛(wèi)星,2007 年,長征推出了長征三號乙(E 或 G2)加強(qiáng)版。2008 年首次發(fā)射成功的長征三號乙火箭成為長征三號丙運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)。

 

截止至 2020 年 3 月,長征三號乙火箭及其改進(jìn)版已完成了了 63 次成功發(fā)射,以及一次完全失敗,兩次部分失敗,發(fā)射成功率達(dá) 95.5%。長征三號的研制始于 1986 年,用以滿足國際 GEO 通訊衛(wèi)星市場需求。1996 年 2 月 14 日凌晨,載有國際通訊衛(wèi)星 708 的長征三號乙火箭首次升空,在升空 2 秒時(shí)由于慣性基準(zhǔn)故障飛行姿態(tài)出現(xiàn)異常,火箭觸地爆炸并摧毀了附近的一個(gè)城鎮(zhèn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),約有 60 多人在此次事故中傷亡。報(bào)告工作人員后來排除了大量死傷人員,因?yàn)閴嫏C(jī)地點(diǎn)在此之前有證據(jù)顯示曾安排人員撤離。

 

1997-2008 年內(nèi),長征三號乙火箭及其加強(qiáng)版執(zhí)行了 10 次成功發(fā)射。

 

1997 年,由于長三乙噴射精準(zhǔn)差,亞太 2 號通訊衛(wèi)星被迫用機(jī)載推進(jìn)器才得以進(jìn)入正確的軌道。2009 年,由于長三乙三級發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏低,火箭部分發(fā)射失敗,致使帕拉帕 -D 衛(wèi)星入軌遠(yuǎn)地點(diǎn)低于預(yù)定值,雖然如此,衛(wèi)星成功進(jìn)行近地點(diǎn)變軌后,仍然運(yùn)行正常。

 

自 2017 年 6 月 19 日至 2020 年 1 月,長三乙及其改型共連續(xù)成功發(fā)射 26 次,至今仍在積極投入使用。

 

2013 年 12 月,長征 3 乙運(yùn)載火箭成功將中國第一個(gè)月球著陸器兼巡視探測器,嫦娥 3 號,運(yùn)至月球轉(zhuǎn)移軌道。


縱觀近幾年,歐美俄等幾個(gè)航天大國或地區(qū),也頻頻出現(xiàn)發(fā)射失利的情況。歐洲的阿里亞娜火箭發(fā)射 107 次,成功率 93%。美國的德爾塔運(yùn)載火箭發(fā)射 251 次,成功率為 94.4%。自 1975 年首次發(fā)射至 2016 年,俄羅斯聯(lián)盟系列火箭已經(jīng)發(fā)射了 800 來次,成功率高達(dá) 97%。

 

截止 2016 年,中國長征系列運(yùn)載火箭共有 235 次發(fā)射,平均每年十余次,其中完全失敗 3 次,部分失敗 1 次,成功率高達(dá) 98%,在世界范圍內(nèi)屬于領(lǐng)先水平。

 

2018 年,中國發(fā)射了 39 枚火箭穩(wěn)居第一,美國 29 次列第二,俄羅斯 20 次第三。

 

2019 年,中國發(fā)射了 34 枚火箭仍居第一,不過出現(xiàn)了 2 次失敗,美國 27 枚 0 失敗排在第二,俄羅斯 25 枚 0 失敗排第三。

 

本次長征七號、長征三號乙火箭任務(wù)的接連發(fā)射失利,雖然不像外媒鼓吹的“都是因?yàn)闆]用美國芯片”,但也給我國的航天人提了個(gè)醒:有了失敗,應(yīng)該振作精神,分析原因,采取切實(shí)可行的措施,繼續(xù)再戰(zhàn),相信我國在未來探索發(fā)展的道路上不斷突破,取得更大的進(jìn)步。


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