中国空间站建设拉开序幕，国产核心器件驶向“天宫”

4月29日11时23分，长征五号B遥二运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空，成功将将载人航天工程空间站“天和”核心舱精准送入预定轨道。我国在载人航天工程上已经实现了载人飞船和航天员出舱前两步，而“天和”核心舱的发射，意味着该工程的第三步已经拉开序幕——空间站建设。
 

长征五号B遥二运载火箭成功发射 / 新华社

 
中国空间站建设的最终目标是在低轨建设一个接近70吨的常驻大型空间站“天宫”，未来通过进一步飞行任务的扩展可至180吨量级。该空间站将提供大规模的空间科学实验和技术试验机会，解决较大规模、长期有人照料的空间应用问题。这项建设工程计划在今明两年执行11次飞行任务，包括核心舱和实验舱的发射，以及神舟载人飞船与货运飞船的发射。此次发射的“天和号”就是空间站的核心舱。
 

天和核心舱实物演示舱

 
那么空间站作为如今航天航空领域最复杂的技术，国产核心器件无疑面临着巨大的挑战，而核心舱作为空间站的大脑，自然也对航天芯片提出了更高的要求。然而在“天和”中，国产芯片的存在起到了不可忽视的作用。
 

核心舱内的国产核心器件 / 北京微电子技术研究所

 
此次任务中，北京微电子技术研究所（772所）为核心舱的环控生保系统、热控系统、推进系统等10多个分系统配套了处理器、FPGA、AD/DA、1553B总线、大容量SRAM存储器、专用ASIC集成电路等32款7100余只集成电路，为空间站核心器件国产化提供全方位支撑。
 
在航天任务中，最重要的组件是星载计算机。772所的SPARCV8处理器BM3803已经出现在国家多个重大航天工程中，此次也是作为“天和”星载计算机中最关键的SoC，确保了核心舱的稳定控制。这款32位的RISC嵌入式处理器拥有优秀的抗辐性能，负责舰上的载荷任务管理、网络管理和热控管理等分系统管理和控制。
 
鉴于空间站的载人发射任务尚未开始，初期的大量舱外建设任务自然需要交给机器来完成。在恶劣的舱外辐射环境下工作。核心舱配备有一对机械臂，一大一小，大机械臂可以抓取25吨重的物体，小机械臂可以配合大机械臂进行操作。机械臂既要达到严苛的可靠性指标，还要拥有精确的自动识别和匹配能力。772所的通用智能刷新控制芯片BSV2CQRH解决了SRAM型FPGA在太空中遇到的单粒子效应问题，保障了空间站中重要单机、系统的可靠工作。
 
为了保证舱内通信以及未来舱间通信的稳定性，确保核心舱星载计算机、中心控制器和机械臂等终端之间的交互和级联，772所也专为这些设备提供了宇航级的1553B总线系列电路。此外，1553B总线同样用于长征五号B运载火箭，用于对其进行实时控制和信息综合，保证信息传输的畅通无阻，为其提供了鲁棒性好的“高速公路”。
 
辐射环境中的另一大挑战则来自于存储。在高即联的辐射下，存储一旦出现问题，很可能造成数据及代码丢失和系统损坏的情况。772所的B65608EARH作为一款可承受100Krad的SRAM存储器，在天和核心舱中主要用于中继SSA-SMA终端设备，为空间站和地面通信中继任务的完成起到了保障。
 
未来空间站与载人和货运飞船的对接需要的高精度的模数与数模转换，772所的14位AD和12位DA作为空间站惯导测量的核心器件，未来对接的姿态控制都由它们负责。AD/DA转换器在运载火箭的惯组中同样充当了关键的角色，通过核心控制器接收和发送高质量的数字信号，从而做到信号的实时精确转换。
 
小结
 
目前在航天航空和军工电子领域，主要使用的仍是ASIC和FPGA，从我国重大航天航空项目的屡次成功上看来，我们在这一领域已经基本实现了国产化。此次长征五号B遥二的成功升空，与2017年的长征五号遥二的失利相比，也充分证实了我国在航天航天领域的长足进步。
 
此外，空间站建设已经进行了一系列内部环境的试验工作，未来航天员不仅能在空间站体验到智能家居和Wi-Fi，还能享受优质的餐饮娱乐，核心舱的供电系统更是由光电转换效率最高的三结砷化镓太阳能电池组成。中国空间站预计在2022年前后建成，届时更长的航空任务和更频繁的舱外活动都将为核心器件带来更高的挑战。以目前的计划来看，在探索宇宙未知的道路上，国家已经在自主核心器件上实现了不菲的成绩，我们不妨在未来的天舟二号和神州十二号飞船上期待更多的航天芯突破。
 
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