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光纖傳感:為飛行器裝上“聽診器”

2022-01-13
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  近年來,以神舟飛船為代表的一系列飛行器成功升空,標(biāo)志著我國航天事業(yè)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。正如同醫(yī)生需要通過聽診器來監(jiān)測病人的健康情況,飛行器是如何實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測,保證正常工作狀態(tài)的呢?

  持續(xù)創(chuàng)新,確保自主可控

  “光纖傳感技術(shù)可對飛行器的狀態(tài)進(jìn)行診斷。”北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授祝連慶介紹,光子芯片不僅計算速度比電子芯片快1萬倍,而且能耗低。同時,光纖傳感信號具有傳輸距離遠(yuǎn)、參量敏感、惡劣環(huán)境下可進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測量等特點(diǎn),使其在大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測中具備顯著優(yōu)勢。祝連慶認(rèn)為光纖傳感技術(shù)在航天器結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件檢測方面大有可為,便將光纖傳感技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用作為重點(diǎn)研究方向。

  走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,一架搭載著許多光纖傳感器的飛機(jī)模型映入眼簾。祝連慶介紹,這些傳感器便是團(tuán)隊自主研發(fā)的飛機(jī)載荷譜測試系統(tǒng),其利用光纖傳感技術(shù)為飛機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測。為了模擬飛機(jī)在空中飛行的狀態(tài),團(tuán)隊在地面設(shè)置載荷裝置,最大可承載20噸的重量。為全面監(jiān)測飛機(jī)易受損部位,團(tuán)隊在飛機(jī)上設(shè)置了上萬個光纖傳感器,可以實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)所有重要部位的安全監(jiān)測。“目前我們可以在地面對飛機(jī)進(jìn)行安全監(jiān)測,未來,我們的研發(fā)目標(biāo)是要把檢測裝置安裝到飛機(jī)上,在空中對飛機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時安全監(jiān)測?!弊_B慶介紹。

  光纖傳感器傳輸回來的信號數(shù)據(jù)則需通過團(tuán)隊自主研發(fā)的“超高速(70K)光纖光柵解調(diào)儀”來進(jìn)行分析解調(diào)。別看這解調(diào)儀的體積不大,但背后的創(chuàng)新之路并不簡單。

  祝連慶介紹,10年前,解調(diào)儀還只能從國外購買,34K解調(diào)儀的價格就高達(dá)80萬元,而速度更快的70K解調(diào)儀還不允許售往中國。祝連慶被國外技術(shù)封鎖激發(fā)了斗志,當(dāng)即決定帶領(lǐng)團(tuán)隊自主研發(fā)相關(guān)技術(shù)。然而,祝連慶的研發(fā)之路在初期便遭遇了難題。當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)室中并沒有專業(yè)儀器,且研發(fā)團(tuán)隊成員的航天技術(shù)背景薄弱,無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

  “科研不是一時興起,既然選擇了就要堅持?!痹谧_B慶與學(xué)院多次溝通后,院方對祝連慶的自主創(chuàng)新理念給予支持,幫助組建了一支由機(jī)械、光學(xué)、電子等多個學(xué)科骨干教師組成的科研團(tuán)隊,建立了可以滿足抗輻照要求的飛秒純石英光纖光柵刻寫生產(chǎn)線,還購置了高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱、真空溫箱等實(shí)驗(yàn)室所需的基礎(chǔ)硬件設(shè)施。有了學(xué)院的鼎力支持,祝連慶便帶領(lǐng)團(tuán)隊潛心研發(fā)?!皥F(tuán)隊成員幾乎整天都泡在實(shí)驗(yàn)室里,有的甚至在實(shí)驗(yàn)室架床,累了就休息一會兒,起來后接著干?!弊_B慶回憶,經(jīng)過不到5年的努力,團(tuán)隊便研發(fā)出很多不同性能的解調(diào)儀,并提交了相關(guān)專利申請。目前,這些解調(diào)儀已銷往海外,與英國劍橋大學(xué)簽訂了每年200臺的銷售協(xié)議。

  多方合作,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用

  在科研順利進(jìn)行的同時,祝連慶為推動光纖傳感技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)發(fā)力。很快,祝連慶意識到了新的問題,到哪里去尋找真實(shí)的“太空環(huán)境”?

  帶著這些疑問,祝連慶踏上了四處奔走、尋求合作之路。最終,他將目標(biāo)鎖定天儀研究院?!疤靸x研究院的工作重點(diǎn)之一是搜集衛(wèi)星狀態(tài)診斷數(shù)據(jù),通過大量數(shù)據(jù)的搜集為后續(xù)工作提供輔助,這與我們團(tuán)隊的研發(fā)方向相契合,雙方順利達(dá)成合作?!痹跓o數(shù)個夜以繼日的實(shí)驗(yàn)后,2018年,搭載著祝連慶團(tuán)隊自主研發(fā)的“光纖傳感荷載測試系統(tǒng)”的“湘江新區(qū)號”衛(wèi)星成功發(fā)射,系統(tǒng)作為衛(wèi)星的“私人醫(yī)生”,為衛(wèi)星的順利工作保駕護(hù)航。祝連慶表示,此次試驗(yàn)只是光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于航天事業(yè)的起點(diǎn),此次試驗(yàn)成果不斷激勵團(tuán)隊加快研發(fā)步伐。目前團(tuán)隊正在研發(fā)能夠應(yīng)用于空間站、衛(wèi)星等重大航天裝備在軌運(yùn)行監(jiān)測的光纖傳感技術(shù)。

  深耕科研數(shù)十年,祝連慶始終站在技術(shù)攻關(guān)的第一線。截至目前,祝連慶已提交專利申請100余件,帶領(lǐng)團(tuán)隊突破高速大容量光纖傳感多項(xiàng)核心技術(shù),解決了飛行器等重大裝備在極限環(huán)境下的參數(shù)檢測問題,推動大型裝備安全監(jiān)測技術(shù)不斷進(jìn)步。談及未來,祝連慶表示,科研人的使命是為我國自主創(chuàng)新不斷做出貢獻(xiàn),通過技術(shù)創(chuàng)新為我國航天事業(yè)再添“一把火”。