原子鐘家族中的“航天員”——銣原子鐘

神舟五號(hào)、神舟六號(hào)載人飛船相繼上天之后，大家對(duì)航天員給予了足夠多的關(guān)注與重視，也讓大家更加關(guān)注除了載人航天之外更多的航天知識(shí)。實(shí)際上，除了載人飛行以外，國(guó)際國(guó)內(nèi)每年發(fā)射的衛(wèi)星和其他航天器都要搭載一些特殊的“航天員”，大家了解比較多的一類是試驗(yàn)用小動(dòng)物、種子、衛(wèi)生醫(yī)藥樣本等，除了這些還有為數(shù)眾多的各類太空儀器設(shè)備，其中包括馬上要為大家介紹的原子鐘家族中的“航天員”——銣原子鐘。

原子鐘家族中的“矮腳虎”

原子鐘是目前人類最精確的時(shí)間測(cè)量?jī)x器，它主要是利用原子不受溫度和壓力影響的固定頻率振蕩的原理制成。雖然可能對(duì)很多人來說“原子鐘”這個(gè)詞還比較陌生，但它早已在無聲無息中悄然融入了您生活——每天中央電視臺(tái)發(fā)布的時(shí)間，就是由一臺(tái)銫原子鐘提供的。事實(shí)上，地球上的基準(zhǔn)時(shí)間——“世界協(xié)調(diào)時(shí)”，是由全世界各個(gè)地方的原子鐘組的數(shù)據(jù)，通過比對(duì)加權(quán)等技術(shù)處理后得到的。此外，衛(wèi)星定位、網(wǎng)絡(luò)、通訊時(shí)間同步都離不開原子鐘，換句話來說，您用的GPS、手機(jī)、上網(wǎng)等等均依賴原子頻標(biāo)高精確度的時(shí)間系統(tǒng)。正是由于它在軍民領(lǐng)域的重要性，美、俄、歐洲、日本等重要國(guó)家和地區(qū)均爭(zhēng)相研究原子鐘技術(shù)，在2002年科技部組織召開的“香山會(huì)議”上，我國(guó)與會(huì)的專家和領(lǐng)導(dǎo)已將當(dāng)前的原子鐘研制與當(dāng)年原子彈的研制并稱。

目前，處于實(shí)用階段的原子鐘有氫、銣、銫三種。這三種鐘各有優(yōu)點(diǎn)，氫、銫體積較大，銫鐘最準(zhǔn)，秒就是以銫原子躍遷頻率定義的，氫鐘中短期性能突出，比銫鐘要小、價(jià)格也要低廉很多，但是目前最小的氫鐘體積也有普通電腦機(jī)箱的1.5倍那么大，重量達(dá)數(shù)十千克。雖然性能比不上氫、銫兩位大哥，但是銣原子鐘卻似一個(gè)小精靈，對(duì)于乘火箭上太空遨游這樣的飛行旅程來說，體積僅僅幾升，重量是最小氫鐘的十分之一不到的小巧銣鐘最為合適，它能大大減輕衛(wèi)星的有效載荷，對(duì)衛(wèi)星、火箭的要求都大大降低，同樣也能極大地節(jié)約衛(wèi)星中極為珍貴而有限的空間。雖然比不上銫、氫鐘能做到3000萬年不差一秒的性能，但是也能夠做到30萬年不差一秒。因此，目前的大名鼎鼎的GPS，GLONASS（格羅拉斯）和GALILEO（伽利略）三種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)都采用了銣原子鐘作為星載鐘。

過五關(guān)斬六將

太空中有著高真空、強(qiáng)輻射等極為惡劣的環(huán)境，因此作為一個(gè)原子鐘家族的合格航天員，飛天小精靈銣原子鐘雖然看上去嬌柔小巧，但是早已煉成一身鋼筋鐵骨并需要通過重重考驗(yàn)。

預(yù)考——元器件篩選合格

“好牛出好奶”是流行的一句廣告詞，對(duì)于星載銣原子鐘來說，要有良好的指標(biāo)和極高的可靠性，每一個(gè)元器件要經(jīng)過精挑細(xì)選和嚴(yán)格考驗(yàn)。即使是最簡(jiǎn)單的一個(gè)器件，也要能夠達(dá)到嚴(yán)格的宇航標(biāo)準(zhǔn)，能夠接受嚴(yán)酷太空環(huán)境的考驗(yàn)。

小考——常溫常壓下指標(biāo)過關(guān)

雖說銣原子鐘性能要比其他兩位“大哥”稍遜，但也要達(dá)到驚人的30萬年差一秒的水準(zhǔn)，而目前世界上最高精度的機(jī)械表和石英表分別可以做到幾天和幾年差一秒。由于它如此高的精確度，更需要把外界溫度、濕度、電磁環(huán)境對(duì)鐘本身的影響降到極低的程度。

中考——可靠性試驗(yàn)考驗(yàn)重重

為了保證進(jìn)入太空前能夠承受火箭升空的巨大振動(dòng)和高溫等因素，以及因此引起的種種可能狀況，首先小銣鐘要送上振動(dòng)臺(tái)，接受隨機(jī)振動(dòng)的考驗(yàn)，在高達(dá)橫向和縱向接近10倍重力加速度的振動(dòng)下，它要保證不“暈船”——指標(biāo)還是要達(dá)到原來的要求。隨后是溫度考驗(yàn)，在高低溫度時(shí)間循環(huán)變化。順利通過這些考驗(yàn)之后，還不能大意，通過技術(shù)手段把電源電壓正負(fù)向偏離十分之一（就如人同時(shí)飽受高血壓和低血壓的折磨），這種情況下，還要保持正常指標(biāo)。在這樣考驗(yàn)之后，可以說已經(jīng)練就一身錚錚鐵骨了。但是要想成為原子鐘家族的“航天員”還不夠，還有更大的考驗(yàn)。

大考——熱真空試驗(yàn)

鑒于外太空稀薄的氣體和高強(qiáng)度的輻射，雖然通過了地面的重重考驗(yàn)，但是還是要接受最后模擬太空條件的大考驗(yàn)——熱真空試驗(yàn)，在一億分之一個(gè)大氣壓的低壓下經(jīng)受高低溫的循環(huán)考驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)百數(shù)小時(shí)，之后又突然暴露大氣——相當(dāng)于把人壓到極深的水里突然拉起來又壓下去——這樣還是近乎苛刻的要達(dá)到30萬年差一秒的性能。這樣還不算結(jié)束，又要把它放入熱真空環(huán)境中，再次做“全身體檢”即全面檢測(cè)它的各項(xiàng)指標(biāo)。合格的話，一個(gè)原子鐘中的航天員——星載銣鐘才算是順利產(chǎn)生。

經(jīng)過選拔的“原子鐘航天員”安裝到衛(wèi)星上，通過火箭發(fā)射到太空，隨著衛(wèi)星進(jìn)入軌道，就開始它的工作，不斷地為人們發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，當(dāng)然就跟航天員定時(shí)要和地面聯(lián)系一樣，它也要定期應(yīng)用地面更加精確的時(shí)間系統(tǒng)來校準(zhǔn)，校準(zhǔn)頻率從一天幾次到幾天一次不等，這樣才能更加保證它的可靠性，更好地為大家服務(wù)。