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郑伟,殷杰,田庄,等. 国际空间站宇航光纤通信器件发展综述[J]. 光通信技术,2024,48(1):51-59.

国际空间站宇航光纤通信器件发展综述

郑 伟1,3,殷 杰2,田 庄3,王九龙3,叶杨高4,周海峰4,王 琛5,隋宁菠6

(1.北京空间机电研究所,北京100094;2.航天恒星科技有限公司,北京100086; 3.中国空间技术研究院,北京100094;4.中国电子科技集团 第八研究所,合肥230000; 5.中国电子科技集团 第三十四研究所,广西 桂林541004;6.北京玻璃研究院有限公司,北京101111)

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摘要:光纤通信技术在国际空间站(ISS)上首次大规模应用,是光通信技术从地面进入太空应用的一个重要里程碑。回顾了ISS舱内光纤通信所用宇航光缆和光纤连接器的技术发展历程,阐述了ISS对光纤通信技术的特殊需求;介绍了美国航空航天局(NASA)开展的光纤器件空间适应性试验研究情况,NASA和欧洲太空总署(ESA)负责建造舱段的光纤通信系统,以及NASA针对ISS光纤通信器件缺陷问题的质量调查情况和整改过程;结合ISS光纤通信器件质量问题的案例分析,总结了宇航光缆和光纤连接器在制造、工艺、材料、环境、检测和管理方面存在的问题和经验教训。最后,对宇航光纤通信器件的研发方向进行了展望。

关键词:国际空间站;宇航;光纤;连接器;光通信;经验教训

中图分类号:TN929.11 文献标志码:文章编号:1002-5561(2024)01-0051-09

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2024.01.010

0 引言

    国际空间站(ISS)起源于美国20世纪80年代提出的自由号(SSF)空间站计划项目。现在的ISS是以美国、俄罗斯为首,包括加拿大、日本、巴西和欧空局(11个国家)共16个国家共同参与研制的大型载人航天器。ISS是目前人类历史上规模最大、历时时间最长的载人航天工程项目,其发展过程大致可分为3个阶段:第一阶段(1994—1998年),主要进行空间站关键技术和关键器件的空间试验验证;第二阶段(1998—2001年),此阶段的空间站初具雏形,建成了一个具有载3人能力的初期空间站;第三阶段(2001—2006年),此阶段是完成空间站的最终装配,可供航天员在轨工作,并开启了一个为期超过15年的载人运行期[1-2]。

    舱内通信系统是空间站基础设施的关键组成部分之一。ISS设计的一个重要特点是光纤通信在其中首次得到了大规模的应用。美国航空航天局(NASA)、欧洲太空总署(ESA)、日本宇宙航空研究开发机构(NASDA)所负责的舱段中都大量使用了宇航光缆,广泛应用于话音、图像和高速数据传输系统。从此,光纤通信技术从地面移至太空,航天通信得到了极大的改观,这是人类通信技术发展史上的一次重要跃迁。

    宇航光通信也是我国未来空间基础设施建设中的关键技术,是探索宇宙空间所需高速信息传输不可或缺的重要组成部分。在“921载人航天工程”需求的牵引下,中国航天科技人员筚路蓝缕、自力更生,于2021年4月29日,我国成功发射了“天和”核心舱,标志着我国独立建造的中国空间站进入了全面实施阶段。在信息系统方面,国产宇航光缆和光电子通信器件历经国内自主研发和数次搭载试验后得到成功应用,为航天员天地一体化音视频通信和高速数据传输提供了极大的带宽[4-5]。然而,毕竟ISS起步比我国早二十余年,其经验教训对我们有很好的借鉴作用。为此,本文从可行性论证到建造实施方面对ISS舱内通信所用光纤通信器件的发展历程进行综述,同时阐述在航天工程应用中出现的2次质量问题和经验教训,为国内科研同行提供借鉴和参考。


5 结束语

    本文对光纤通信器件在ISS的应用情况进行了综述,阐述了空间站对光纤通信技术的特殊需求,回顾了宇航光缆和光纤连接器的技术发展历程,分析了ISS光纤通信器件的2次质量问题案例,总结了经验教训。

    从20世纪80年代以来, 作为人类探索的先锋,NASA和ESA在空间光通信技术领域经过不断实践和探索,最终在ISS项目上大规模使用了光纤通信器件。光纤以极大的带宽、优良的电磁兼容能力、更轻的质量、更小的体积和功耗为飞行器局域网总线的整体性能带来了质的飞跃,是人类通信技术和宇航技术发展史上的一个里程碑。我们一方面要学习他们勇于探索未知的精神,另一方面还要吸取他们的经验教训。NASA和ESA在ISS项目上的经历是我国空间站设计、建造、使用和管理过程可学习借鉴的珍贵教材。

光纤通信技术在我国航天上首次应用不久[4-5],其成熟度还需要不断锤炼提高。只有这样,它才能担负起未来空间基础设施建设和深空探测任务宽带信息传输的重任[28]。本文旨在抛砖引玉,希望国内同行能够科学地借鉴ISS光纤通信的历史经验教训,举一反三,在宇航光通信器件生产和检验过程中的“人、机、料、法、环、测”全面质量管理方面有所启示并改进;同时,也

希望国内专家学者在宇航光缆制造工艺质量控制方面不断进行技术革新,在宇航光纤连接器的现场易清洁、易维护和可靠性方面的性能进行改进,进一步推动相关宇航光电子基础关键核心器件的国产化升级换代,以促进我国未来空间技术的持续进步。