——第一代波導(dǎo)元件研制始末"/>
趙 軻 操均益 梅鶴飛
(電子科技大學(xué),成都 611731)
電子科技大學(xué)(原成都電訊工程學(xué)院)電子科技博物館內(nèi),保存了記錄電子工業(yè)發(fā)展的1.4萬件/套藏品,包括通信、雷達、電子元器件、電子計算機等領(lǐng)域的藏品,其中就有中國第一代自主研制的三公分波導(dǎo)管,共有三類七件,包括直波導(dǎo)、彎波導(dǎo)和匹配負載等。
在中國“第一個五年計劃”期間,蘇聯(lián)通過“156項工程”對中國進行援建,幫助建立比較完整的工業(yè)體系,電子工業(yè)是其中重要部分。同時,在蘇聯(lián)的援助下,通過籌建高校、建立實驗室,開展教育教學(xué)和技術(shù)培訓(xùn)的方式,培養(yǎng)出了中國電子工業(yè)第一批科研人員。
中國第一代波導(dǎo)元件就是在這樣的背景下研發(fā)和生產(chǎn)出來的。它作為電磁波傳輸線路組成雷達內(nèi)部的能量傳輸系統(tǒng),填補了中國無法自制雷達中波導(dǎo)元件的空白,是中國自主發(fā)展雷達工業(yè)的起點,在中國電子工業(yè)歷史中有重要意義。
本文根據(jù)電子科技大學(xué)電子科技博物館的館藏藏品、檔案館的館藏檔案和相關(guān)文獻資料,并對相關(guān)科技工作者進行訪談,追溯和研究這批波導(dǎo)元件的自行研制過程。希望通過該研究,更多人能了解中國電子工業(yè)起步階段的歷史,同時希望在中國電子工業(yè)蓬勃發(fā)展的今天,特別是在各國高端科技領(lǐng)域競爭異常激烈的背景下,給中國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展之路以有益啟示。
20世紀50年代以前,中國不具備微波技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力,尤其是對雷達零配件進行研發(fā)和生產(chǎn)的能力。中國的雷達技術(shù)最初以南京為源頭,以日本和美國在“二戰(zhàn)”中的雷達為基礎(chǔ)進行修配,后逐漸開始仿制。1949年,中華人民共和國成立后,由于西方國家的封鎖,開始關(guān)注自身國防實力。國家決定“以蘇為鑒、以蘇為師”([1],頁471—472),與蘇聯(lián)開展合作,學(xué)習(xí)蘇聯(lián)先進的工業(yè)技術(shù),抓緊雷達的仿制和研發(fā)[2]。本文的研究對象——三公分波導(dǎo)管便誕生于這樣的時代背景之下。
1950年,中蘇簽訂的《中蘇友好同盟互助條約》開啟了援建的序幕。1953年,蘇聯(lián)對華方略調(diào)整,中國的“第一個五年計劃”在同時期開始實施。中蘇兩國發(fā)表系列決議聲明,其中1954年兩國簽訂《關(guān)于重點高等學(xué)校和專家工作范圍的決議》[3],讓蘇聯(lián)專家?guī)椭M行高等教育。兩國于1954年簽訂《關(guān)于援助中華人民共和國建設(shè)工業(yè)企業(yè),向中國派蘇聯(lián)專家和關(guān)于另外接受中國工人來蘇聯(lián)企業(yè)學(xué)習(xí)的決議》([4],頁194),1957年簽訂《中蘇科學(xué)技術(shù)合作協(xié)定》([4],頁227)。蘇聯(lián)陸續(xù)對華提供3500套圖紙、900套技術(shù)、2950套專題說明、1100套設(shè)計圖紙([4],頁227),形成蘇聯(lián)援建中國的“156項工程”([1],頁297)。其中44項軍事工業(yè)中,電子工業(yè)占10項[5]。蘇聯(lián)對中國的援建,已經(jīng)深入高精尖技術(shù)。
在中國“第一個五年計劃”的第三年(1956年),國家指示,按教育部發(fā)文“(56)工辛字第717號文”,對高等工業(yè)學(xué)校蘇聯(lián)專家配備研究生的計劃提出草案,請各學(xué)校報送相應(yīng)計劃[6],將在1956至1957學(xué)年實施。在1956年4月7日的文件中,當(dāng)時正在籌備的成都電訊工程學(xué)院上報,需要超高頻電子管方面的專家,擬從南京工學(xué)院選拔配備“電氣真空技術(shù)”專業(yè)的畢業(yè)生8人攻讀研究生[6]。以依·弗·列別捷夫(I. V. Lebedev)博士(圖1)為代表的多位蘇聯(lián)專家到成都,與從中國國內(nèi)其他高等學(xué)校抽派的師生一起籌建了新中國第一所無線電專業(yè)的大學(xué)——成都電訊工程學(xué)院。
圖1 蘇聯(lián)專家依·弗·列別捷夫(I. V. Lebedev, 1922—2016)
中國在具備波導(dǎo)元件的研制能力前,該類元器件只能依靠進口。1957年起,中國出現(xiàn)電子元件進口困難的問題。然而,由于國防建設(shè)的需要,中國工業(yè)迫切需要元件支持。面臨進口困難的問題,在蘇聯(lián)專家的鼓勵下,國家決定開始自行研制波導(dǎo)元件,成都電訊工程學(xué)院的科研人員和研究生也全心投入,從而發(fā)展超高頻技術(shù),開啟雷達的研制[7]。
在自主研制波導(dǎo)元件的過程中,蘇聯(lián)專家列別捷夫起到了非常重大的作用。列別捷夫是蘇聯(lián)莫斯科莫洛托夫動力學(xué)院(1)莫斯科莫洛托夫動力學(xué)院創(chuàng)建于1930年,于2013年更名為俄羅斯國立研究大學(xué)(莫斯科動力學(xué)院)。的副教授[8],1956年9月來到成都,帶來了波導(dǎo)元件和其他大量元器件、多套儀器設(shè)備、成套的裝置圖紙,以及一批學(xué)術(shù)文獻,其中波導(dǎo)元件分為兩個波段——X波段和S波段[9]。他到中國工作的原定期限為一年,到中國后看到實際情況困難,主動提出延長到兩年。在1957年2月初,他曾短暫回到莫斯科動力學(xué)院進行博士論文答辯,并且順利通過。答辯結(jié)束后,他立即返回成都,并再次隨身攜帶了一批新的儀器,當(dāng)時從蘇聯(lián)攜帶的儀器并沒有得到允許,因為沒有時間辦理相關(guān)手續(xù)。回到成都后,他恢復(fù)了所有研究、講課和答疑工作。在列別捷夫的兩年聘期中,現(xiàn)中國科學(xué)院院士劉盛綱(2)劉盛綱(1933—),安徽肥東人,1980年當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士),1986年至2001年4月?lián)坞娮涌萍即髮W(xué)校長。是他的俄語翻譯,幫助他主動深入地開展教研指導(dǎo)工作。
列別捷夫與劉樹杞、孫詩瑛等青年教師一道,建立超高頻技術(shù)實驗室(圖2)。他累計指導(dǎo)23人,包括超高頻教研組教師6人、研究生6人、外校及科研機構(gòu)選派來進修老師11人[7,10]。其中6名研究生都是南京工學(xué)院無線電系的畢業(yè)生,進修老師與外校研究生來自全國各個高校[7]。除了這些直接指導(dǎo)的人員外,他還組織了培訓(xùn)班,有時也會在相關(guān)學(xué)校邀請下到北京郵電學(xué)院(現(xiàn)北京郵電大學(xué))等學(xué)校講座講學(xué)[11]。
圖2 列別捷夫指導(dǎo)研究生實驗
列別捷夫講授了三門課程,分別為超高頻技術(shù)、超高頻電真空器件、超高頻電真空器件測試,完整覆蓋了微波技術(shù)理論、器件生產(chǎn)工藝和器件檢驗測試等三部分。三門超高頻技術(shù)的課程,原定的講課總課時數(shù)為155小時,結(jié)果實際講授達到260小時。列別捷夫為三門課程均編著了相應(yīng)的教材,譯成中文后字數(shù)累計有60萬字,教材在人民教育出版社進行了出版(圖3)。三本教材除了提供給成都電訊工程學(xué)院師生使用外,也送到相關(guān)的工廠、機關(guān)、學(xué)校及研究所使用。這三門課程也成為中國最早的微波技術(shù)課程。
圖3 教材《電真空材料及工藝(上冊)》與《超高頻電真空器件(下冊)》中文版
列別捷夫關(guān)注工程技術(shù)實踐及其與工業(yè)界的合作,堅持必須考慮教學(xué)課程和工業(yè)界、國防需求實際任務(wù)的聯(lián)系。他多次安排研究生到成都東郊電子工業(yè)基地的電子工業(yè)工廠實習(xí),包括七七三廠(國營紅光電子管廠、生產(chǎn)微波電子管)、七七六廠(國營國光電子管廠、生產(chǎn)電子束器件)和七八四廠(國營錦江電器廠、生產(chǎn)雷達整機)等[7]。研究生在這些工廠親手操作電真空器件的研發(fā)和生產(chǎn)過程,每人獨立解決生產(chǎn)中急需的任務(wù)方案。1957年,列別捷夫曾帶領(lǐng)研究生和教師到北京七七四廠、南京七二〇廠及七七二廠參觀實習(xí)[10],幫助青年教師和學(xué)生將理論結(jié)合實踐,親身體驗生產(chǎn),也為考察超高頻元件研制后的生產(chǎn)工藝打下基礎(chǔ)。
1958年5月,列別捷夫回國,他帶來的資料和設(shè)備有69份留下來[12],包括9份技術(shù)和器件的說明文件,5份圖紙,55份(套)課程設(shè)計圖紙、工作報告和測量儀器等。
1958年的《專家工作年終總結(jié)報告》檔案描述[7]:
波導(dǎo)設(shè)備的制造當(dāng)時在中國尚未能掌握,直到1957年中由于進口困難及在專家(指列別捷夫)的鼓勵下,才決心設(shè)法自制波導(dǎo)元件,對此項工作開始重視得較遲,因此至今在設(shè)備方面尚未能滿足需要,如果我們能及早設(shè)法克服困難在自制設(shè)備上多作努力,列別捷夫?qū)<业淖饔媒袢諏⒌玫礁酶嗟陌l(fā)揮。
1953年至1957年,在中國的“第一個五年計劃”期間,蘇聯(lián)向中國提供大量的技術(shù)圖紙、工業(yè)樣品,并派遣了專家對中國的工業(yè)技術(shù)進行指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上,1957至1958年間,在列別捷夫建立實驗室、開設(shè)超高頻技術(shù)課程和與工業(yè)界緊密合作的基礎(chǔ)上,成都電訊工程學(xué)院的科研人員改進并補充列別捷夫帶來的波導(dǎo)圖紙,在四位8級技術(shù)工人的幫助下,在校辦工廠成功試制了三公分波導(dǎo)管,通過調(diào)試和測試,性能參數(shù)符合標準。后來又陸續(xù)生產(chǎn)了100多套,每套有20件不同類型的波導(dǎo)管。
全國各地的學(xué)校、研究機構(gòu)和工廠(3)主要包括:清華大學(xué),交通大學(xué),復(fù)旦大學(xué),武漢大學(xué),北京郵電學(xué)院,中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,中國人民解放軍總參謀部通信電信科學(xué)技術(shù)研究所,第二機械部第十二所、第十所,國營七一四廠等。要求訂購波導(dǎo)管[13]。成都電訊工程學(xué)院將修改后的波導(dǎo)元件圖紙共238張上交于第二機械工業(yè)部第十局,并在成都地區(qū)的科學(xué)技術(shù)展上展示。之后,圖紙在南京國營七二〇廠進行必要修改后制成樣品,向各需求單位開放訂購[13]。所供應(yīng)給全國各地的波導(dǎo)元件,解決了當(dāng)時教學(xué)科研設(shè)備的急需,特別是解了進口國外元器件困難的燃眉之急。
從此,中國具備了波導(dǎo)元件的研制能力,中國的超高頻技術(shù)開始起步。三公分波導(dǎo)管的試制成功,成為雷達工業(yè)發(fā)展和電子工業(yè)發(fā)展的起步點。
1958年,中蘇關(guān)系走向冰點,援建的蘇聯(lián)專家開始大范圍撤離,列別捷夫也于當(dāng)年5月回到蘇聯(lián)。在蘇聯(lián)專家離開后,成都電訊工程學(xué)院乃至整個中國,依托于“第一個五年計劃”已初步建立的工業(yè)體系和培養(yǎng)的研究人員,參考相關(guān)圖紙,在電子工業(yè)的各個領(lǐng)域進行了大量嘗試,生產(chǎn)試制了寬頻帶保護放電器、雷達天線開關(guān)系統(tǒng)、模擬電子計算機等379項產(chǎn)品,其中32項產(chǎn)品為中國首次自主生產(chǎn)[2]。
在蘇聯(lián)的援助下,中國陸續(xù)建起一系列的雷達整機廠和配套設(shè)備廠,雷達工業(yè)起步。中國在1961年形成雷達科研體系,雷達工業(yè)的門類已比較齊全,形成9個骨干廠、5個地方廠和7個研究所,從仿制階段進入改進和自行設(shè)計階段;70年代,中國研制成功遠程精密跟蹤測量雷達和大型相控陣雷達;80年代初期,中國研制出第一部三坐標雷達;1980年到1985年,已有17種型號數(shù)百部雷達產(chǎn)品對外出口;到1985年,中國雷達工業(yè)系統(tǒng)已有企業(yè)52個、研究所14個,年產(chǎn)雷達1361部[14]。
電子科技博物館內(nèi)現(xiàn)存的波導(dǎo)元件,即1957至1958年試制的第一批三公分波導(dǎo)管,主要包括直波導(dǎo)、彎波導(dǎo)和匹配負載,基本情況如下:
第一類是直波導(dǎo),是矩形截面的長直空金屬管,微波以一定入射角入射,并在波導(dǎo)壁上反射,以合成波沿波導(dǎo)軸向進行傳輸。直波導(dǎo)(圖4①②),由中間的傳輸線和兩邊的矩形法蘭盤構(gòu)成,矩形法蘭盤的四個頂點分別有圓形缺口。該波導(dǎo)采用蓋板-扼流型連接方式,因此其中一端法蘭盤中有圓形軸向槽作為扼流圈。
第二類是彎波導(dǎo),在直波導(dǎo)傳輸方式的基礎(chǔ)上,通過曲形的金屬腔體來改變電磁波在波導(dǎo)中的傳輸方向。彎波導(dǎo)(圖4⑥),形狀成拱形,其法蘭盤結(jié)構(gòu)與上述直波導(dǎo)相同。
第三類是匹配負載,作為終端器吸收全部入射波的能量。匹配負載(圖4③④⑤),其一段為法蘭盤,而另一端封閉。
圖4 保存于電子科技博物館的中國第一代波導(dǎo)元件
利用微波的定向性和反射性,人們在第二次世界大戰(zhàn)時就研制了雷達,而微波早期的發(fā)展正是在雷達需求的推動下才迅速成長起來的。微波同大多數(shù)電磁波一樣,需要一定的約束機構(gòu)進行傳輸,否則會向空中輻射。用以傳輸微波能量的約束機構(gòu)和線路就是微波的傳輸系統(tǒng),主要分成三類:多導(dǎo)體傳輸線、金屬管傳輸線和介質(zhì)傳輸線。第一類——多導(dǎo)體傳輸線,由至少兩個導(dǎo)體構(gòu)成,如雙根線、同軸線、帶狀線、微帶線等。在低頻率時,兩根導(dǎo)線就可以進行電能的傳輸,但隨頻率提高,波長短到可以與兩根導(dǎo)線間的距離比擬時,電磁能量就會從導(dǎo)線輻射出去,雙根線無法傳輸頻率很高的微波。此時,為了避免輻射損耗,人們用一根導(dǎo)線把另一根導(dǎo)體包起來,從而把電磁場限制在內(nèi)、外導(dǎo)體之間使之無法輻射出去,就構(gòu)成了同軸線。
但是,當(dāng)頻率進一步提高,又需要將兩個導(dǎo)體之間的距離再作減小,這就使得同軸線的橫截面必須再減小,不僅會限制同軸線的傳輸功率容量,而且使損耗(損耗主要集中在內(nèi)導(dǎo)體)迅速增加。人們自然地想到,可以直接把同軸線內(nèi)導(dǎo)體去掉,以減小損耗和提高功率容量,直接由外導(dǎo)體形成金屬空心管來傳輸微波的電磁能量。這就是第二類——金屬管傳輸線,稱為波導(dǎo),如矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、脊波導(dǎo)等,傳輸橫電波或橫磁波。1936年,索斯沃斯(G.C.Southworth)采用了內(nèi)徑12.5cm青銅圓管作為波導(dǎo)進行微波的傳輸[15]。目前,波導(dǎo)已成為微波領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳輸系統(tǒng)。在雷達中,波導(dǎo)連接各功能部件,形成電磁波的傳輸系統(tǒng)。它的制造工藝并不復(fù)雜,但是作為制造雷達的最基本元件,代表著雷達工業(yè)的基礎(chǔ)。
在雷達產(chǎn)業(yè)方面,三公分波導(dǎo)管研制的成功,填補了雷達基礎(chǔ)元器件自主研制的空白。在此之前,中國甚至連波導(dǎo)管這樣的基礎(chǔ)元器件都無法制造。所以,這實際是自主雷達工業(yè)發(fā)展的第一步,是一個從無到有的過程,是雷達工業(yè)從“修配”到具備“自主研制”可能性的重要進化。列別捷夫等專家?guī)淼睦碚撝R、研發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗,為中國建立了學(xué)科,培養(yǎng)了人才,促進了高校、研究院所和生產(chǎn)企業(yè)的迅猛發(fā)展,這為中國雷達工業(yè)奠定了一定基礎(chǔ)。以三公分波導(dǎo)管的研制為起點,以發(fā)展雷達工業(yè)為牽引的微波技術(shù),以理論-研發(fā)-生產(chǎn)的路徑在中國正式建立起來,磁控管、行波管、速調(diào)管等雷達關(guān)鍵元器件也相繼從仿制開始轉(zhuǎn)為獨立研發(fā),為中國雷達整機的自主研制提供了有利條件。
在人才培養(yǎng)方面,在蘇聯(lián)專家直接或間接指導(dǎo)下,僅至1966年,成都電訊工程學(xué)院共培養(yǎng)了46名研究生、530名進修生。這些人才后來大多成為了電子領(lǐng)域的骨干,成為中國電子發(fā)展的重要力量,如中科院院士劉盛綱教授、清華大學(xué)無線電系主任張克潛教授、中國電波傳播研究所潘威焱教授、深圳大學(xué)楊淑雯教授等。成都電訊工程學(xué)院從1981年開始,招收博士研究生,1985年培養(yǎng)的第一批博士生共8名畢業(yè),這是中國電子學(xué)領(lǐng)域第一批以自己的師資培養(yǎng)的博士,他們成為了電子領(lǐng)域的中堅力量。
在學(xué)術(shù)研究方面,在蘇聯(lián)專家的援建和帶動下,成都電訊工程學(xué)院的科研人員從1960年到1982年間,陸續(xù)在波導(dǎo)領(lǐng)域發(fā)表約20篇期刊論文,主要集中在中文期刊。1961年林為干(4)林為干(1919—2015),廣東臺山人,曾任成都電訊工程學(xué)院副院長,1980年當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士),被譽為“中國微波之父”。教授發(fā)表《波導(dǎo)波型理論的幾點補充》,1980年楊淑雯教授發(fā)表《開波導(dǎo)的特性測量》和《非圓介質(zhì)波導(dǎo)的實驗研究》,1981年阮成禮發(fā)表《成層介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)的截止波長計算法》,1982年彭仲秋發(fā)表《波導(dǎo)寬邊輻射縱縫中的場分布》,1984年徐孔義發(fā)表《變截面波導(dǎo)開放式諧振腔的研究》。阮成禮、彭仲秋、徐孔義是成都電訊工程學(xué)院培養(yǎng)的首批8名博士中的成員,分別由林為干教授、劉盛綱教授和謝處方教授指導(dǎo)。中國在波導(dǎo)研究領(lǐng)域產(chǎn)生了第二代、第三代中流砥柱。
本文以成都電訊工程學(xué)院成功試制中國第一代三公分波導(dǎo)管為主線,探究蘇聯(lián)援助對中國雷達工業(yè)所產(chǎn)生的影響。蘇聯(lián)對中國的援助,除了幫助籌建工廠和生產(chǎn)線、培養(yǎng)技術(shù)工人,更重要的是在高等教育領(lǐng)域,幫助建立實驗室、培養(yǎng)研究生、提高科研人員和教師水平,將科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的種子播撒在中國。這種在高等教育上的幫助,使中國在1960年后,有了獨立、持續(xù)地發(fā)展科學(xué)技術(shù)的可能。其中,波導(dǎo)元件的自行試制成功,便是中國具備科技自主能力的起點和標志之一。
當(dāng)然,蘇聯(lián)的技術(shù)轉(zhuǎn)移援助為中國建立了工業(yè)基礎(chǔ),具有積極作用,但也存在一定問題。在援助早期出現(xiàn)的“以蘇聯(lián)為主,對蘇聯(lián)專家的絕對盲從”,加之兩國國情不同,也導(dǎo)致了問題的出現(xiàn)。比如,蘇聯(lián)援助的領(lǐng)域,是經(jīng)過選擇的,有所保留的,關(guān)鍵技術(shù)資料從1958年起就不再提供,蘇聯(lián)甚至在1959年單方面撕毀1957年簽訂的《中蘇國防新技術(shù)協(xié)定》,到1960年蘇聯(lián)專家大批撤走,導(dǎo)致一些合作項目未能順利完成,浪費了大量的人力物力[16]。
同時,由于水土不服、意識形態(tài)差異等原因,中國也失去了與西方國家開展更多科技交流的機會。中蘇技術(shù)轉(zhuǎn)移,以中蘇關(guān)系的破裂為結(jié)局。這種受國際政治所左右的,也可以說地位不對等的技術(shù)轉(zhuǎn)移,只能作為部分領(lǐng)域新生時的一種推動力,最終可持續(xù)的發(fā)展仍需要靠自身的人才培養(yǎng)。
在世界發(fā)展進程中,發(fā)生過多次國家之間的技術(shù)轉(zhuǎn)移,這些技術(shù)轉(zhuǎn)移,往往遵循“學(xué)習(xí)-模仿-吸收-自主創(chuàng)新”的規(guī)律。沒有勇氣和精神進行最后一步自主創(chuàng)新的國家,往往不能建立自己的科技和工業(yè)體系。而通過設(shè)備援助、知識吸收和自主創(chuàng)新三個階段的中國,成功試制了波導(dǎo)元件,開啟了雷達工業(yè),在一定程度上使中國的工業(yè)化進入了新進程。技術(shù)轉(zhuǎn)移中,技術(shù)強國對弱國的發(fā)展有奠基作用,這是無可否認的,但在此基礎(chǔ)上,必須堅持學(xué)習(xí)、消化、吸收和自主創(chuàng)新,堅持培養(yǎng)出自己的工業(yè)體系、教育體系,才能走出自己的道路,才能茁壯生長,否則只能望其項背。
當(dāng)今世界正面臨百年未有之大變局,科學(xué)技術(shù)被各國政府視為重要的國家核心資產(chǎn),圍繞著科學(xué)技術(shù)的國際競爭也日趨激烈,在科技競爭中落伍的國家,未來在國際權(quán)力結(jié)構(gòu)中將處于極為被動的位置。此時,尤其是在以美國為首的西方發(fā)達國家通過高端芯片出口禁運、打壓中國高科技公司等方式開始對中國實施技術(shù)封鎖的時候,對中國第一代波導(dǎo)元件成功自主研制的歷史背景、研制歷程進行探究,不僅能讓更多人了解中國電子工業(yè)起步階段的歷史,也能對當(dāng)前中國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展之路提供有益啟示。