10月31日下午，夢天實驗艙成功發(fā)射，這意味著屬于中國人的第一個空間站將完成在軌建設(shè)！

從2011年，我國發(fā)射天宮1號開始，歷時11年時間，屬于中國人的天宮空間站終于完成了在軌建設(shè)！進(jìn)入新的篇章。

值得自豪的是，中國天宮空間站上的每一個部件都是100%國產(chǎn)！

10月31日，搭載空間站夢天實驗艙的長征五號B遙四運(yùn)載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場點火發(fā)射。

夢天實驗艙成功發(fā)射意味著什么?

意味著中國再一次在人類的最高科技領(lǐng)域打破了美國等西方國家的圍堵封鎖！

早在2001年，中國就希望藉與歐洲空間局合作的機(jī)會，參與到國際空間站的建設(shè)中，并且多次表態(tài)希望參與國際空間站建設(shè)。

但美國等國家屢次以技術(shù)保密、資金短缺等理由拒絕中國的申請。在2011年，美國總統(tǒng)奧巴馬和美國國會通過沃爾夫條款，立法禁止美國國家航空航天局與中國的任何科學(xué)或技術(shù)交流。

▲中國空間站建設(shè)時間表（來源：微博vony7）

因此，中國不得不全面自行試驗研究并開發(fā)空間站系統(tǒng)，并在2011年9月發(fā)射試驗性空間站——天宮一號。

一次次的友好科研申請，一次次地被拒接，甚至被立法禁止。中國始終憋著一股氣，沒有西方國家的參與，中國人也能造出屬于自己的宇宙空間站！

如今，隨著夢天實驗艙的成功發(fā)射，交會對接完成在即，中國人第一個空間站——天宮空間站將完成在軌建設(shè)，這意味著中國人的第一個空間站完工了！中國人也造出了屬于自己的宇宙空間站！

▲中國空間站在軌運(yùn)行效果圖 圖源：人民日報

傳感器在夢天實驗艙等航天器中有多重要？

傳感器在航空航天中有多重要？我們先來看幾個例子：

2010 年，俄羅斯質(zhì)子-M 火箭發(fā)射 3 顆 GLONASS-M 導(dǎo)航衛(wèi)星，因燃料水平傳感器超差導(dǎo)致加注燃料過量，使火箭“頭部”重量超標(biāo)，從而導(dǎo)致火箭飛行末期達(dá)到速度不夠，未能正確入軌致使 3 顆導(dǎo)航衛(wèi)星全部葬身于太平洋中。 2018年10月11日一枚“聯(lián)盟—FG”型運(yùn)載火箭從哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾發(fā)射“聯(lián)盟MS-10”飛船，負(fù)責(zé)對該火箭助推器與芯一級發(fā)出分離指令的一個傳感器工作異常，導(dǎo)致一臺助推器未能及時分離到安全距離，進(jìn)而引發(fā)該助推器撞擊火箭芯一級的燃料箱，致使燃料箱破裂，芯一級損壞，無法繼續(xù)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

▲俄羅斯質(zhì)子-M 火箭搭載3 顆 GLONASS-M 導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射失敗

傳感器作為航天器的“感官”和“神經(jīng)”，遍布航天器的各個關(guān)鍵部位，是確保測得出、測得準(zhǔn)、預(yù)測對、診斷靈，保障任務(wù)成功率的有效手段。

例如，運(yùn)載火箭中的控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、推進(jìn)劑利用系統(tǒng)、附加系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)，載人飛行器中的故障檢測與診斷系統(tǒng)、艙內(nèi)環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)、逃逸救生系統(tǒng)、航天員艙外活動支持系統(tǒng)和再入式登陸系統(tǒng)等，都離不開傳感器對航天器各關(guān)鍵部位工作狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測。

▲問天實驗艙結(jié)構(gòu)示意圖 圖源：火星學(xué)會

載人航天器艙內(nèi)密閉空間由于在軌環(huán)境的特殊性，在軌艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測傳感器對于航天員安全就至關(guān)重要。

美國國際空間站就是依靠高靈敏傳感器的火災(zāi)預(yù)警，多次成功避免了國際空間站火災(zāi)悲劇的發(fā)生。

一個航天器，需要多少個傳感器？

國內(nèi)外各種航天飛行器系統(tǒng)，無一例外，都需要大量各種類型的傳感器，包括壓力傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器、激光傳感器、距離傳感器、位置傳感器、金屬接近開關(guān)、慣性傳感器、陀螺儀......

它們在超低溫、強(qiáng)輻射、高真空、高速度等極其惡劣的環(huán)境下為航天員的生命安全以及航天器的運(yùn)行正常提供重要保障。

那么一個航天器需要多少個傳感器呢?

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，世界上最復(fù)雜的航天飛行器——航天飛機(jī)，使用的傳感器數(shù)量超過了3500只。

歐空局的 Ariane5 火箭上，在研制試驗階段使用傳感器數(shù)量 435 只，通常一次飛行測量參數(shù)達(dá) 570 個，一次技術(shù)飛行測量參數(shù)達(dá) 1100個。

我國航天任務(wù)中也大量使用各種類型的傳感器，例如載人運(yùn)載火箭中，單發(fā)使用傳感器、變換器數(shù)量達(dá)到 600 余只，而新一代大型運(yùn)載火箭單發(fā)使用傳感器、變送器數(shù)量更是超過了 1600 只。

▲問天實驗艙結(jié)構(gòu)示意圖

以發(fā)射夢天實驗艙的長征五號B運(yùn)載火箭為例——它有一個昵稱叫“胖五”：

胖五非電量測點有近千個，以低溫為例，低溫傳感器的靈敏度達(dá)0.5K，任何風(fēng)吹草動都會引起它的警覺。所謂非電量測點，就是指溫度、濕度、振動、沖擊等一系列力熱參數(shù)測點。參數(shù)測量離不開傳感器，用在胖五身上的傳感器耐酷暑抗嚴(yán)寒。 據(jù)陳勝哲介紹，以溫度傳感器為例，未加注推進(jìn)劑時，火箭體溫達(dá)30度左右，加注推進(jìn)劑后，火箭貯箱降至零下200多度，0.5k的靈敏度相當(dāng)于溫度波動0.5度，傳感器都能敏銳感知并生成數(shù)據(jù)回傳。 這些傳感器在研制階段接受了“千錘百煉”，在選材、地面加載考核、試驗量級制定等方面，設(shè)計員沒有最嚴(yán)、只有更嚴(yán)，每項數(shù)據(jù)都打出了富余量。

中國“天空”空間站核心艙“天和”號，是空間站的管理和控制中心，負(fù)責(zé)空間站組合體的統(tǒng)一管理和控制，擁有核心傳感器300多個，測量長達(dá)900多路信號，傳感器全部為自主研發(fā)，感知、控制著整個空間站的各項數(shù)據(jù)。

經(jīng)過以北京遙測技術(shù)研究所為代表的國內(nèi)科研院所長達(dá) 60 年的共同努力，國內(nèi)航天傳感器經(jīng)歷了由仿制到自制、由少品種到多品種、由結(jié)構(gòu)型到復(fù)合型、由低準(zhǔn)確度到高準(zhǔn)確度的發(fā)展歷程。

如今，中國天宮空間站上從傳感器到各種儀器儀表，都實現(xiàn)了100%的全國產(chǎn)化，而本次夢天艙中數(shù)十種百余只傳感器，都是中國電科提供。

我國天宮空間站的黑科技，離不開國產(chǎn)傳感器！

黑科技一：“萬里穿針”快速交會對接技術(shù)

空間交會對接是載人航天活動的三大基本技術(shù)之一，是實現(xiàn)空間站和空間運(yùn)輸系統(tǒng)的裝配、回收、補(bǔ)給、維修、航天員交換及營救等在軌服務(wù)的先決條件，復(fù)雜度高、精準(zhǔn)度高、自主性要求高、安全性要求高。為掌握該項技術(shù)，我國科研人員接續(xù)奮斗了近30年。

神舟十三號載人飛船與中國空間站天和核心艙，實現(xiàn)首次徑向交會對接，主要功臣就是我國航天科工某所自主研制的微波雷達(dá)，微波雷達(dá)相繼導(dǎo)引天舟二號、神舟十二號、神舟十三號飛船與天和核心艙完成交會對接。

▲在微波雷達(dá)引導(dǎo)下，首次載人飛船在太空實施徑向交會對接

本次，夢天實驗艙與天和核心艙的交會對接，將采取與問天實驗艙相似的半自主快速交會對接方式，同樣需要依靠自研國產(chǎn)微波雷達(dá)的引導(dǎo)，才能在茫茫太空之中，實現(xiàn)“萬里穿針”。

黑科技二：全球首創(chuàng)可自由移動的空間站機(jī)械臂

在美國喜劇《太空部隊》中，有一個名場面被網(wǎng)友津津樂道，就是一個中國的航天器用機(jī)械臂剪掉了美國衛(wèi)星的太陽能板，讓該衛(wèi)星停機(jī)。

▲美劇《太空部隊》場景

現(xiàn)在，實現(xiàn)“抓”衛(wèi)星的機(jī)械臂，已經(jīng)裝在了中國的天宮空間站上，并且還可以自由移動！

中國空間站機(jī)械臂，可用于飛行器的捕獲、輔助航天員艙外活動、艙外貨物搬運(yùn)、艙體狀態(tài)檢查、載荷照料等重要任務(wù)，是空間站最具實用價值的工具，其核心是中國航天科技集團(tuán)公司某所歷時10年研發(fā)的3款傳感器，打破了國外企業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。

其中，六維力傳感器是三款傳感器中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、研制難度最大的一款，能夠同時測量三個方向上的力分量和轉(zhuǎn)動時的力矩分量；一維力傳感器主要負(fù)責(zé)機(jī)械臂末端執(zhí)行器在實施目標(biāo)抓取和拖動功能時，對拖動力進(jìn)行監(jiān)測；一維力矩傳感器則用于感知機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時所承載的力矩，實現(xiàn)整臂的柔順控制。

夢天實驗艙與問天實驗艙有什么區(qū)別？

夢天實驗艙主要用于開展空間科學(xué)與應(yīng)用實驗。問天實驗艙主要用于執(zhí)行生命科學(xué)實驗，可以被看作“生物實驗室”。而夢天實驗艙則更像一個“物理實驗室”。

夢天實驗艙主要面向微重力科學(xué)研究，配置了流體物理、材料科學(xué)等多學(xué)科方向的實驗柜，包括：流體物理實驗柜、兩相系統(tǒng)實驗柜、燃燒科學(xué)實驗柜、高溫材料實驗柜、超冷原子實驗柜、高精度時頻實驗柜主柜、高精度時頻實驗柜副柜以及在軌維修裝調(diào)實驗柜等實驗柜。支持開展重力掩蓋下的材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究。

在太空實驗當(dāng)然是看重天空特有的實驗條件。在地表，重力環(huán)境下，生命體和物質(zhì)受到重力作用，物質(zhì)的某些本質(zhì)規(guī)律可能被重力作用掩蓋，因此在微重力或無重力環(huán)境下，或許會有一些意想不到的結(jié)果。這些研究成果將幫助我們在地面上的相關(guān)學(xué)科研究提升效率和質(zhì)量。

▲夢天實驗艙實驗柜示意圖 圖源：中國載人航天

同時，在天宮二號空間冷原子鐘的基礎(chǔ)上，夢天實驗艙將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構(gòu)成在太空中頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最高的時間頻率系統(tǒng)，如果成功，這將成為太空中最精準(zhǔn)的時間頻率系統(tǒng)，數(shù)億年誤差小于1秒。并且還將開展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測量等前沿的科學(xué)研究，推動時間頻率的導(dǎo)航與大地測量等應(yīng)用。

此外，夢天艙外還安排了材料艙外暴露實驗裝置和元器件與組件艙外通用試驗裝置，用于開展艙外實驗項目。

結(jié)語

今天，中國人的第一個太空站——天宮空間站的最后一個核心艙夢天實驗艙成功發(fā)射。同時，今天也是我國“兩彈一星”元勛錢學(xué)森先生逝世13周年的日子。

文中，我們可以看到，研發(fā)六維力傳感器用了10余年，實現(xiàn)全自主空天對接技術(shù)用了30年，研發(fā)各種航天航空傳感器我們不間斷用了60年。

長期以來，西方國家對我國高科技領(lǐng)域圍追堵截，尤其是涉及國家重大型號工程所需的敏感芯片和傳感器產(chǎn)品，國外一直采取嚴(yán)格的限制和禁運(yùn)措施，尤其是近些年以來，形勢更為嚴(yán)峻。

中國科技的進(jìn)步，是以錢學(xué)森等為代表的許多科學(xué)家默默付出10年、20年、30年……時間，一點一滴自力更生艱苦研究得來的，致敬！

來源：傳感器專家網(wǎng)（由動感傳感整理，轉(zhuǎn)載請注明傳感器專家網(wǎng)）