1. 概述
随着中国航天事业的发展,航天仪器仪表技术发展得到国家有关部门和单位的大力支持,为导弹、火箭、卫星、飞船及地面试验等配套了大量的仪器仪表,形成了相对完整的研究、开发、应用体系。如导弹、运载火箭测控系统,经历了手动、顶序程控、计算机控制、CAMAC总线、VXI总线、1553B总线为特色的发展过程,形成了目前单板机、单片机、DSP芯片为核心的模块化仪器的开发与应用,以CAMAC、VXI测试总线为标准,采用FPGA技术,设计开发了CAMAC、VXI通用、专用系列模件,P泪、PCI总线的系列模件也在开发中。
航天仪器仪表主要包括以下两类:
航天测控仪表:导弹、火箭、卫星、飞船发射及飞行过程中的各系统的状态监测与控制传感器及仪表;地面试验用的数据检测、采集、记录处理仪器仪表。
航天惯性仪表:导弹、火箭、卫星、飞船等用的惯性制导、导航、姿态测量、稳定用的陀螺仪、加速度计及由它们构成的仪器仪表;地面定位、定向及寻北、对准用的惯性仪表等。
航天仪器仪表的特点是高精度、高可靠、小型化,适应航天各种恶劣使用环境。近年来,正在加速向数字化、智能化、集成化方向发展。
2. 国内外发展现状及问题
国外两个航天大国美国和俄罗斯(前苏联)的航天仪器仪表技术代表了国际航天仪器仪表技术的发展水平,不仅应用的数量、种类多,而且技术先进。例如,美、俄的航天飞机和飞船都配套了3000只以上的传感器;航天惯性仪表已研制出三代、十余类、上千个品种规格。从海湾战争、科索沃战争到伊拉克战争高精度武器的大量使用,充分表现了现代航天仪器仪表技术的特点是高可靠、小型化、高精度、智能化、数字化。
国内航天仪器仪表经过四十年发展,形成比较完整的研究开发和应用系统,具备了相当规模的生产能力,基本满足航天产品的需要。同时还用于海、陆、空等军用或民用领域,其整体技术水平在国内处于先进地位。
为使航天仪器仪表技术能够充分发挥技术优势,更好地为国民经济建设服务,航天科技集团公司近年来在立足航天应用的同时,开始注重在其他领域的应用,并逐步开始开展产业化工作。由航天科技集团公司自主开发完成的磁致伸缩液位及位移测量系统和溅射薄膜压力测控仪表,不但用于二十多个航天型号,而且可广泛应用于石油、化工、纺织、机械制造、环保等行业,在国内处于领先地位。2002年国家提供了产业化贴息贷款。其产业化的目标就是要全面替代进口产品,实现国内市场60%的占有率,同时打入国际市场,树立民族优质品牌的形象。
3. 发展战略目标和意义
在2020年,航天仪器仪表的发展战略是:以航天型号需求为牵引,以产业化应用为目标,大力发展航天仪器仪表技术,为国民经济建设和装备制造业现代化服务。发展目标如下:
☆确保新型航天型号的高可靠、小型化、高精度、智能化、数字化的需求;
☆拓展航天仪器仪表在军、民用领域的应用范围,实现产业化,建设以航天高科技为主导的、具备规模生产的产业化基地;
☆航天仪器仪表要赶超世界先进水平,替代进口产品,打入国际市场;
☆建设一支素质高、水平高,具备航天精神的专业人才队伍。
4. 重点发展的前沿和关键技术
4.1 航天测控仪表
4.1.1 重点发展前沿
☆ 小型机电一体化MEMS仪表。如,小型光学敏感器、压力、过载、振动、角速率、噪声(麦克风)等仪表。重点解决新型航天微型仪表结构及数字量敏感结构的制造技术,以及实现航天测控仪表的更新换代。
☆ 综合智能化仪表。如,多参数综合处理故障自诊断仪表。使航天测控仪表实现智能化,具备自诊断、自调整、自补偿的功能,并且实现微智能仪表。
☆ 多用途数字化仪表。如,数字量谐振敏感仪表及数字化通讯仪表。使航天测控仪表能够适应航天飞行测量体制向数字化总线制的发展,实现完全数字量信号处理及传输。同时,地面仪表实现高速度、大容量及数字化。
☆ 航天特殊参数仪表。如,高g冲击、大冲击下低频振动、烧蚀、泄漏、火焰等测量仪表。
☆ 虚拟仪器。利用计算机技术,由用户自己设计、自己定义,仪器信号处理的功能主要由软件来实现。
☆ 网络仪器。计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合,扩展面向Web技术及面向传输控制协议/网络协议(TCP/IP)、浏览器和嵌套服务器应用,使现场变送器或仪器直接具有Intranet/Internet功能。
4.1.2 关键技术
☆ 多信号信息融合技术;
☆ 数字化技术;
☆ 机电一体化的MEMS技术;
☆ 光机电一体化技术。
4.2 航天惯性仪表
4.2.1 重点发展前沿
☆ 高精度、高可靠陀螺仪、加速度计及惯性平台;
☆ 小型化、高可靠光纤、激光陀螺仪及惯性捷联组合;
☆ 小型化、高可靠、长寿命陀螺仪;
☆ 小型化、高精度石英、硅加速度计;
☆ 微机电惯性仪表。
4.2.2 关键技术
☆ 仪表精密磁悬浮技术;
☆ 保偏光纤技术;
☆ 大功率、高稳定光源技术;
☆ 高质量镀膜技术;
☆ 长寿命轴承技术;
☆ 石英及硅材料精密加工技术;
☆ 微机械加工技术及微机电仪表集成技术。
4.3 航天仪器仪表的产业化
自“七五”以来,国内仪表研究包括航天仪器仪表取得许多创新性研究成果。在2020年仪器仪表发展规划中,应该对于产业化给予足够的重视。
4.3.1 航天测控仪表的产业化,
☆ 磁致伸缩液位及位移测量系统和溅射薄膜压力测控仪表;
☆ 航天MEMS测控仪表,如压力、加速度计等。
4.3.2 航天惯性仪表的产业化
☆ 小型化、高可靠光纤、激光陀螺仪;
☆ 小型化、高精度石英、硅加速度计;
☆ 微机电惯性仪表等
5. 分段实施的步骤和方案
5.1 航天测控仪表
5.1.1 2005年
开展新型航天MEMS测控仪表微型结构先进加工技术的研究,航天特殊参数测量技术研究,以及测控仪表智能化、数字化技术的研究。完成磁致伸缩液位测量系统和溅射薄膜压力测控仪表产业化工程的建设,形成年产10万只磁致伸缩液位及位移传感器、5万只溅射薄膜压力测控仪表的能力。同时开展MEMS测控仪表产业化的基础工作。
5.1.2 2010年
完全成熟航天MEMS测控仪表技术,实现航天测控仪表智能化、数字化,实现更新换代,并应用于信息化武器装备。MEMS测控仪表实现产业化。完全实现磁致伸缩液位测量系统和溅射薄膜压力测控仪表的产业化,替代进口产品,形成国内大型研发、设计、生产、试验基地。
5.1.3 2020年
建成以航天高科技为主导的测控仪表产业化发展基地。随着新型航天飞行器的开发研制,航天测控仪表将开展深空深测、微型控制执行机构、智能网络测量系统、三维敏感系统等新应用领域的研究工作。
5.2 航天惯性仪器仪表
军民两用惯性仪器仪表发展实施步骤建议:
产业化产品 应用领域 2005年前后 2010年前后 2020年前后
车载导航定位、定向仪 各种军用、民用车辆 采用光学陀螺、石英加速度计组成年产**套以上 采用微固态的惯性仪表组成（低成本）
年产**套左右 采用MEMS技术、集成一体化（微功耗、小体积）
年产**套左右
地下、水下定位定向仪 钻井、隧道工程，水下救捞、测量及建设工程 采用小型高可靠挠性陀螺、石英加速度计年产**套以上 采用光学陀螺、硅加速度计年产**套左右
陀螺指北仪 军用、民用测量及建设工程 采用机械螺 采用光学蛇螺
吊舱稳定装置 气球、直升机 采用微固态陀螺
定位定向手机 单兵、战斗小组、探险、登山等 采用微机电惯性仪表与其它定位信息组合、集成一体化的微惯组构成
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