梅剛?cè)A二十多年做好一件事——為北斗系統(tǒng)裝上“中國(guó)心”

中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員梅剛?cè)A領(lǐng)導(dǎo)的課題組，是我國(guó)最早開(kāi)展星載原子鐘研究的團(tuán)隊(duì)。經(jīng)過(guò)20多年的潛心技術(shù)攻關(guān)，他們的成果獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

        作為我國(guó)星載原子鐘技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星載原子鐘的主要研制者，梅剛?cè)A成功研制了我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星載銣原子鐘，為北斗裝上“中國(guó)心”。

        用專(zhuān)注詮釋科學(xué)家的工匠精神

        什么是科學(xué)家的工匠精神？梅剛?cè)A認(rèn)為：“天上不會(huì)掉餡餅，做科學(xué)工作，心態(tài)一定要靜下來(lái)，要肯花時(shí)間專(zhuān)注地做好每一件事情。”

        衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星與用戶(hù)間無(wú)線電信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)量來(lái)確定用戶(hù)的三維位置坐標(biāo)。如果能將光束傳播1米距離的時(shí)間測(cè)準(zhǔn)，系統(tǒng)就具備了1米的定位精度。這種精度的時(shí)間測(cè)量只能用原子鐘來(lái)完成，所以星載原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的心臟，對(duì)系統(tǒng)的定位導(dǎo)航精度有決定性影響。

        梅剛?cè)A用了20多年專(zhuān)注地做好了一件事，為中國(guó)的導(dǎo)航衛(wèi)星做最好的“心臟”，為北斗裝上了“中國(guó)心”。

       上世紀(jì)90年代, 我國(guó)制定了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。當(dāng)時(shí)，星載原子鐘技術(shù)僅為少數(shù)西方國(guó)家所掌握，在我國(guó)屬于技術(shù)空白。

        能否實(shí)現(xiàn)原子鐘技術(shù)突破，關(guān)系到我國(guó)北斗系統(tǒng)建設(shè)的成敗。而星載原子鐘機(jī)理復(fù)雜、技術(shù)難度極大，要實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的突破，其難度可想而知。

       原子鐘的核心部件微波腔只有一個(gè)膠卷大小，要在里面特定位置打幾個(gè)槽，寬度是多少，深度是多少，當(dāng)時(shí)沒(méi)有計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，梅剛?cè)A只能一點(diǎn)點(diǎn)地嘗試，一個(gè)個(gè)地摸索，幾抽屜的試驗(yàn)品都是他在無(wú)數(shù)個(gè)日日夜夜、反反復(fù)復(fù)的實(shí)驗(yàn)中打磨出來(lái)的。

       終于，他憑借著不服輸?shù)木髲?qiáng)，成功研制了開(kāi)槽管微波腔，奠定了銣鐘高穩(wěn)定度和小型化技術(shù)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)權(quán)威專(zhuān)家認(rèn)為該技術(shù)是我國(guó)科技工作者在原子頻標(biāo)方面作出的“不可多得的創(chuàng)新性貢獻(xiàn)”。

       攻克第一道難關(guān)后，梅剛?cè)A又把目標(biāo)鎖定在銣光譜燈上，這是銣鐘的另一個(gè)核心部件。通常的譜燈光強(qiáng)起伏大，銣樣品消耗快，無(wú)法在衛(wèi)星的真空環(huán)境下工作。梅剛?cè)A帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，發(fā)明了一種新型光譜燈，能夠在真空條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，克服了限制銣鐘壽命和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的主要障礙。

       20年實(shí)現(xiàn)由空白到領(lǐng)跑

       星載原子鐘不僅有極高的精度要求，還有苛刻的壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的要求。

       1997年梅剛?cè)A承擔(dān)國(guó)內(nèi)第一個(gè)星載原子鐘預(yù)研項(xiàng)目的時(shí)候，我國(guó)的銣原子鐘精度比國(guó)際水平差了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性則完全沒(méi)有設(shè)計(jì)概念，一切都需要從零開(kāi)始。

       梅剛?cè)A和他的團(tuán)隊(duì)20年如一日，一步一個(gè)腳印，先后研發(fā)出三代星載銣原子鐘產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)星載銣原子鐘技術(shù)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的發(fā)展。

        2004年，北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段，高性能星載原子鐘受到歐美發(fā)達(dá)國(guó)家禁運(yùn)，引進(jìn)受挫，成為北斗工程關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

        梅剛?cè)A帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在前期技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，在不到兩年時(shí)間里，研制出第一代具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星載銣鐘正樣產(chǎn)品，核心指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。隨著北斗三號(hào)全球衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)啟動(dòng)，他們很快研制出第二代星載銣鐘工程產(chǎn)品，主要指標(biāo)提高了近5倍，使這顆“中國(guó)心”具備了與世界最高水平相當(dāng)?shù)膹?qiáng)大能量。

        此后，梅剛?cè)A在國(guó)內(nèi)首次提出高精度星載銣原子鐘研發(fā)計(jì)劃，并于2016完成，使我國(guó)星載銣鐘技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的水平。

       不忘初心繼續(xù)前行

       回想20多年前，梅剛?cè)A在導(dǎo)師朱熙文老先生的殷切期望下，毅然立志研制中國(guó)最好的星載原子鐘，這顆火熱的“初心”一守就是20余年。

       作為已經(jīng)取得諸多成就的國(guó)內(nèi)原子鐘領(lǐng)域知名專(zhuān)家，梅剛?cè)A沒(méi)有放松對(duì)自己的要求。怎樣才能把銣鐘做得體積更小，重量更輕，精度更高……一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題，他自問(wèn)自答，在無(wú)數(shù)次枯燥無(wú)味的實(shí)驗(yàn)中，在堆滿(mǎn)了試驗(yàn)品的倉(cāng)庫(kù)中，他和團(tuán)隊(duì)默默地尋找著答案。

        如今，高精度的時(shí)間頻率信息成為眾多信息系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，對(duì)原子鐘的應(yīng)用需求也越來(lái)越多。梅剛?cè)A的研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)目前國(guó)際上原子鐘的主要發(fā)展趨勢(shì)，在高性能銣原子鐘領(lǐng)域又取得了新的突破。

       去年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出一種超高精度星載銣原子鐘，再次刷新了銣原子鐘的性能指標(biāo)。團(tuán)隊(duì)還以這些攻關(guān)成果為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出一系列星載銣原子鐘，可以滿(mǎn)足不同衛(wèi)星平臺(tái)、不同載荷的需要，形成“型譜化”產(chǎn)品。

      “中國(guó)心”星載原子鐘承載著中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展，承載著梅剛?cè)A一生的愿望。心之所向，樂(lè)此不疲，他正不斷前行。