星载原子钟被称为导航卫星的“心脏”,它的性能直接决定卫星导航系统定位和授时精度。作为我国星载原子钟技术的开创者之一,中国科学院武汉物理与数学研究所的梅刚华研究员,为攻克我国北斗卫星导航系统的这一关键技术难关倾注了全部心血。
国之所需心之所系
卫星导航技术在国防、国民经济等众多领域具有广泛的应用价值。我国在上世纪90年代制定了北斗卫星导航系统“三步走”发展战略。星载原子钟技术作为卫星导航系统的关键技术,机理复杂,技术难度极大,当时仅为少数西方国家掌握,我国能否实现原子钟技术突破关系到北斗系统建设的成败。在从国外引进星载铷原子钟遭拒后,要建成完全自主可控的卫星导航系统,中国只能靠自己。
国之所需心之所系。1997年,梅刚华担起了我国第一个星载原子钟预研项目的重任,从此与北斗系统结下了不解“钟情”。为打破西方垄断,让我国拥有自己的星载原子钟,他带领团队一头扎进星载铷原子钟技术研究,一干就是二十年。
孜孜不倦创新求索
2004年,我国启动北斗二号卫星导航系统建设,星载原子钟成为工程技术瓶颈。在上百次实验的基础上,梅刚华带领研究团队发明了新型微波腔,提出长寿命光谱灯设计方案,发明了泡频控制技术,实现了星载铷原子钟精度、小型化、寿命、可靠性和卫星环境适应性五大关键技术的突破。
2008年,梅刚华团队研制出我国第一代星载铷原子钟,精度为10亿分之三秒,达到当时国际先进水平,可满足卫星导航系统1米定位精度应用需求。这种原子钟批量应用于北斗二号卫星,为我国于2012年建成北斗二号卫星导航系统发挥了关键作用。
2009年,我国启动北斗三号全球卫星导航系统建设。为实现建设国际一流的北斗系统的工程建设目标,梅刚华提出研制世界上性能最好的星载铷钟,并带领团队进行了更加深入系统的技术攻关。他们改进微波腔中微波场的分布特性,显著增强了原子信号;发展同位素和光学滤光技术,减小了原子信号的量子噪声;改进电路设计方案,显著降低了微波链路的电子学噪声,克服了电路系统对铷钟精度的影响;发展系统的参数优化技术,降低了光强和环境温度起伏对原子钟精度的影响。
在此基础上,梅刚华团队先后研制出第二代和第三代星载铷原子钟。第二代产品性能与国外最高水平相当,已批量装备北斗二号卫星。第三代产品精度达到每天100亿分之三秒,成为目前世界上性能最高的铷原子钟,可满足分米级定位需求,即将在北斗三号系统后续卫星上应用。
矢志不渝逐梦一生
为使我国的星载原子钟技术赶超世界先进水平,梅刚华及其团队日复一日、年复一年全力攻关,十余年来没有正常休过一个长假。为保证产品质量,他们不放过任何一个技术隐患,一个一个排查,一个一个解决,力求做到万无一失,充分彰显了矢志不渝、精益求精的工匠精神。
梅刚华团队研制的星载铷钟,打破了国外的技术垄断,使星载原子钟从当初北斗工程建设的瓶颈转变为工程建设的亮点。他们用不到20年的时间,走完了外国人40多年走过的路,使我国的星载铷钟技术实现了从无到有、由有到强的跨越。梅刚华和他的团队也实现了“让中国的北斗用上最好的原子钟”的梦想。
2017年,梅刚华获首届全国创新争先奖和中国航天基金奖,2016年获国家科技进步特等奖,2015年获国家技术发明二等奖,2014获湖北省技术发明一等奖,2013年获军队科技进步一等奖和中国专利优秀奖。他还被总装备部和国防科工局授予“北斗二号卫星工程建设突出贡献个人”,他的团队被授予“北斗二号卫星工程建设突出贡献集体”。
在成果和荣誉面前,梅刚华没有满足,仍是不忘初心,砥砺前行。抬头望见北斗星,他心中有梦,便追逐一生。