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光纤传感:为飞行器装上“听诊器”

2022-01-13
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  近年来,以神舟飞船为代表的一系列飞行器成功升空,标志着我国航天事业取得突飞猛进的发展。正如同医生需要通过听诊器来监测病人的健康情况,飞行器是如何实现健康监测,保证正常工作状态的呢?

  持续创新,确保自主可控

  “光纤传感技术可对飞行器的状态进行诊断。”北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院教授祝连庆介绍,光子芯片不仅计算速度比电子芯片快1万倍,而且能耗低。同时,光纤传感信号具有传输距离远、参量敏感、恶劣环境下可进行非接触式、非破坏性以及远距离测量等特点,使其在大型结构监测中具备显著优势。祝连庆认为光纤传感技术在航天器结构及环境条件检测方面大有可为,便将光纤传感技术在航天领域的应用作为重点研究方向。

  走进实验室,一架搭载着许多光纤传感器的飞机模型映入眼帘。祝连庆介绍,这些传感器便是团队自主研发的飞机载荷谱测试系统,其利用光纤传感技术为飞机进行健康监测。为了模拟飞机在空中飞行的状态,团队在地面设置载荷装置,最大可承载20吨的重量。为全面监测飞机易受损部位,团队在飞机上设置了上万个光纤传感器,可以实现对飞机所有重要部位的安全监测。“目前我们可以在地面对飞机进行安全监测,未来,我们的研发目标是要把检测装置安装到飞机上,在空中对飞机实现实时安全监测。”祝连庆介绍。

  光纤传感器传输回来的信号数据则需通过团队自主研发的“超高速(70K)光纤光栅解调仪”来进行分析解调。别看这解调仪的体积不大,但背后的创新之路并不简单。

  祝连庆介绍,10年前,解调仪还只能从国外购买,34K解调仪的价格就高达80万元,而速度更快的70K解调仪还不允许售往中国。祝连庆被国外技术封锁激发了斗志,当即决定带领团队自主研发相关技术。然而,祝连庆的研发之路在初期便遭遇了难题。当时的实验室中并没有专业仪器,且研发团队成员的航天技术背景薄弱,无法进行实验。

  “科研不是一时兴起,既然选择了就要坚持。”在祝连庆与学院多次沟通后,院方对祝连庆的自主创新理念给予支持,帮助组建了一支由机械、光学、电子等多个学科骨干教师组成的科研团队,建立了可以满足抗辐照要求的飞秒纯石英光纤光栅刻写生产线,还购置了高低温环境试验箱、真空温箱等实验室所需的基础硬件设施。有了学院的鼎力支持,祝连庆便带领团队潜心研发。“团队成员几乎整天都泡在实验室里,有的甚至在实验室架床,累了就休息一会儿,起来后接着干。”祝连庆回忆,经过不到5年的努力,团队便研发出很多不同性能的解调仪,并提交了相关专利申请。目前,这些解调仪已销往海外,与英国剑桥大学签订了每年200台的销售协议。

  多方合作,实现产品应用

  在科研顺利进行的同时,祝连庆为推动光纤传感技术在航天领域的应用持续发力。很快,祝连庆意识到了新的问题,到哪里去寻找真实的“太空环境”?

  带着这些疑问,祝连庆踏上了四处奔走、寻求合作之路。最终,他将目标锁定天仪研究院。“天仪研究院的工作重点之一是搜集卫星状态诊断数据,通过大量数据的搜集为后续工作提供辅助,这与我们团队的研发方向相契合,双方顺利达成合作。”在无数个夜以继日的实验后,2018年,搭载着祝连庆团队自主研发的“光纤传感荷载测试系统”的“湘江新区号”卫星成功发射,系统作为卫星的“私人医生”,为卫星的顺利工作保驾护航。祝连庆表示,此次试验只是光纤传感技术应用于航天事业的起点,此次试验成果不断激励团队加快研发步伐。目前团队正在研发能够应用于空间站、卫星等重大航天装备在轨运行监测的光纤传感技术。

  深耕科研数十年,祝连庆始终站在技术攻关的第一线。截至目前,祝连庆已提交专利申请100余件,带领团队突破高速大容量光纤传感多项核心技术,解决了飞行器等重大装备在极限环境下的参数检测问题,推动大型装备安全监测技术不断进步。谈及未来,祝连庆表示,科研人的使命是为我国自主创新不断做出贡献,通过技术创新为我国航天事业再添“一把火”。