10月31日下午，夢天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射，這意味著屬于中國人的第一個(gè)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(shí)11年時(shí)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(gè)部件都是100%國產(chǎn)！

10月31日，搭載空間站夢天實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火發(fā)射。

夢天實(shí)驗(yàn)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(huì)，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(huì)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(shí)間表（來源：微博vony7）

因此，中國不得不全面自行試驗(yàn)研究并開發(fā)空間站系統(tǒng)，并在2011年9月發(fā)射試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)艙的成功發(fā)射，交會(huì)對接完成在即，中國人第一個(gè)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(gè)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(bào)

傳感器在夢天實(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)傳感器工作異常，導(dǎo)致一臺助推器未能及時(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)示意圖 圖源：火星學(xué)會(huì)

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(gè)航天器，需要多少個(gè)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(gè)航天器需要多少個(gè)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(yàn)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(gè)，一次技術(shù)飛行測量參數(shù)達(dá) 1100個(gè)。

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(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)示意圖

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

胖五非電量測點(diǎn)有近千個(gè)，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(dòng)都會(huì)引起它的警覺。所謂非電量測點(diǎn)，就是指溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊等一系列力熱參數(shù)測點(diǎn)。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(shí)，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(dòng)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(yàn)量級制定等方面，設(shè)計(jì)員沒有最嚴(yán)、只有更嚴(yán)，每項(xiàng)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(gè)，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(gè)空間站的各項(xiàng)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(shí)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(huì)對接技術(shù)

空間交會(huì)對接是載人航天活動(dòng)的三大基本技術(shù)之一，是實(shí)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)首次徑向交會(huì)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(huì)對接。

▲在微波雷達(dá)引導(dǎo)下，首次載人飛船在太空實(shí)施徑向交會(huì)對接

本次，夢天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙的交會(huì)對接，將采取與問天實(shí)驗(yàn)艙相似的半自主快速交會(huì)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(shí)現(xiàn)“萬里穿針”。

黑科技二：全球首創(chuàng)可自由移動(dòng)的空間站機(jī)械臂

在美國喜劇《太空部隊(duì)》中，有一個(gè)名場面被網(wǎng)友津津樂道，就是一個(gè)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(duì)》場景

現(xiàn)在，實(shí)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(dòng)！

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(dòng)、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(shí)用價(jià)值的工具，其核心是中國航天科技集團(tuán)公司某所歷時(shí)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(shí)測量三個(gè)方向上的力分量和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(shí)施目標(biāo)抓取和拖動(dòng)功能時(shí)，對拖動(dòng)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(dòng)時(shí)所承載的力矩，實(shí)現(xiàn)整臂的柔順控制。

夢天實(shí)驗(yàn)艙與問天實(shí)驗(yàn)艙有什么區(qū)別？

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

夢天實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)柜，包括：流體物理實(shí)驗(yàn)柜、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜、燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、高溫材料實(shí)驗(yàn)柜、超冷原子實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜主柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜副柜以及在軌維修裝調(diào)實(shí)驗(yàn)柜等實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究。

在太空實(shí)驗(yàn)當(dāng)然是看重天空特有的實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)驗(yàn)艙實(shí)驗(yàn)柜示意圖 圖源：中國載人航天

同時(shí)，在天宮二號空間冷原子鐘的基礎(chǔ)上，夢天實(shí)驗(yàn)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(shí)間頻率系統(tǒng)，如果成功，這將成為太空中最精準(zhǔn)的時(shí)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(dòng)時(shí)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(shí)驗(yàn)裝置和元器件與組件艙外通用試驗(yàn)裝置，用于開展艙外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

結(jié)語

今天，中國人的第一個(gè)太空站——天宮空間站的最后一個(gè)核心艙夢天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射。同時(shí)，今天也是我國“兩彈一星”元?jiǎng)族X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(shí)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(shí)間，一點(diǎn)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(dòng)感傳感整理，轉(zhuǎn)載請注明傳感器專家網(wǎng)）