4月29日11時23分，長征五號B遙二運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點火升空，成功將將載人航天工程空間站“天和”核心艙精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道。我國在載人航天工程上已經(jīng)實現(xiàn)了載人飛船和航天員出艙前兩步，而“天和”核心艙的發(fā)射，意味著該工程的第三步已經(jīng)拉開序幕——空間站建設(shè)。
長征五號B遙二運載火箭成功發(fā)射 / 新華社
中國空間站建設(shè)的最終目標(biāo)是在低軌建設(shè)一個接近70噸的常駐大型空間站“天宮”，未來通過進一步飛行任務(wù)的擴展可至180噸量級。該空間站將提供大規(guī)模的空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗機會，解決較大規(guī)模、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。這項建設(shè)工程計劃在今明兩年執(zhí)行11次飛行任務(wù)，包括核心艙和實驗艙的發(fā)射，以及神舟載人飛船與貨運飛船的發(fā)射。此次發(fā)射的“天和號”就是空間站的核心艙。
天和核心艙實物演示艙
那么空間站作為如今航天航空領(lǐng)域最復(fù)雜的技術(shù)，國產(chǎn)核心器件無疑面臨著巨大的挑戰(zhàn)，而核心艙作為空間站的大腦，自然也對航天芯片提出了更高的要求。然而在“天和”中，國產(chǎn)芯片的存在起到了不可忽視的作用。
核心艙內(nèi)的國產(chǎn)核心器件 / 北京微電子技術(shù)研究所
此次任務(wù)中，北京微電子技術(shù)研究所（772所）為核心艙的環(huán)控生保系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、推進系統(tǒng)等10多個分系統(tǒng)配套了處理器、FPGA、AD/DA、1553B總線、大容量SRAM存儲器、專用ASIC集成電路等32款7100余只集成電路，為空間站核心器件國產(chǎn)化提供全方位支撐。
在航天任務(wù)中，最重要的組件是星載計算機。772所的SPARCV8處理器BM3803已經(jīng)出現(xiàn)在國家多個重大航天工程中，此次也是作為“天和”星載計算機中最關(guān)鍵的SoC，確保了核心艙的穩(wěn)定控制。這款32位的RISC嵌入式處理器擁有優(yōu)秀的抗輻性能，負(fù)責(zé)艦上的載荷任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理和熱控管理等分系統(tǒng)管理和控制。
鑒于空間站的載人發(fā)射任務(wù)尚未開始，初期的大量艙外建設(shè)任務(wù)自然需要交給機器來完成。在惡劣的艙外輻射環(huán)境下工作。核心艙配備有一對機械臂，一大一小，大機械臂可以抓取25噸重的物體，小機械臂可以配合大機械臂進行操作。機械臂既要達到嚴(yán)苛的可靠性指標(biāo)，還要擁有精確的自動識別和匹配能力。772所的通用智能刷新控制芯片BSV2CQRH解決了SRAM型FPGA在太空中遇到的單粒子效應(yīng)問題，保障了空間站中重要單機、系統(tǒng)的可靠工作。
為了保證艙內(nèi)通信以及未來艙間通信的穩(wěn)定性，確保核心艙星載計算機、中心控制器和機械臂等終端之間的交互和級聯(lián)，772所也專為這些設(shè)備提供了宇航級的1553B總線系列電路。此外，1553B總線同樣用于長征五號B運載火箭，用于對其進行實時控制和信息綜合，保證信息傳輸?shù)臅惩o阻，為其提供了魯棒性好的“高速公路”。
輻射環(huán)境中的另一大挑戰(zhàn)則來自于存儲。在高即聯(lián)的輻射下，存儲一旦出現(xiàn)問題，很可能造成數(shù)據(jù)及代碼丟失和系統(tǒng)損壞的情況。772所的B65608EARH作為一款可承受100Krad的SRAM存儲器，在天和核心艙中主要用于中繼SSA-SMA終端設(shè)備，為空間站和地面通信中繼任務(wù)的完成起到了保障。
未來空間站與載人和貨運飛船的對接需要的高精度的模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換，772所的14位AD和12位DA作為空間站慣導(dǎo)測量的核心器件，未來對接的姿態(tài)控制都由它們負(fù)責(zé)。AD/DA轉(zhuǎn)換器在運載火箭的慣組中同樣充當(dāng)了關(guān)鍵的角色，通過核心控制器接收和發(fā)送高質(zhì)量的數(shù)字信號，從而做到信號的實時精確轉(zhuǎn)換。
小結(jié)
目前在航天航空和軍工電子領(lǐng)域，主要使用的仍是ASIC和FPGA，從我國重大航天航空項目的屢次成功上看來，我們在這一領(lǐng)域已經(jīng)基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。此次長征五號B遙二的成功升空，與2017年的長征五號遙二的失利相比，也充分證實了我國在航天航天領(lǐng)域的長足進步。
此外，空間站建設(shè)已經(jīng)進行了一系列內(nèi)部環(huán)境的試驗工作，未來航天員不僅能在空間站體驗到智能家居和Wi-Fi，還能享受優(yōu)質(zhì)的餐飲娛樂，核心艙的供電系統(tǒng)更是由光電轉(zhuǎn)換效率最高的三結(jié)砷化鎵太陽能電池組成。中國空間站預(yù)計在2022年前后建成，屆時更長的航空任務(wù)和更頻繁的艙外活動都將為核心器件帶來更高的挑戰(zhàn)。以目前的計劃來看，在探索宇宙未知的道路上，國家已經(jīng)在自主核心器件上實現(xiàn)了不菲的成績，我們不妨在未來的天舟二號和神州十二號飛船上期待更多的航天芯突破。