功耗优化:减小集电极电流的“节能设计”。为将功耗从190w降至70w,团队在不影响放大性能的前提下,将晶体管的集电极电流(Ic)从100A降至37A,同时优化基极偏置电路,使电流放大效率从37%提升至67%。测试显示,“3Ax81h”在Ic=37A时,β值仍保持37-44,信号放大倍数达17分贝,与“67式”的100A工况性能相当,功耗却降低63%。李敏在算法适配时验证:“低功耗下,管子的动态响应速度没下降,加密模块的运算延迟仍能控制在0.19秒,符合星地链路要求。”
1970年3月27日,“3Ax81h”空间适应版晶体管通过最终验收:-50cβ值下降9%、1x10?rad辐射后Iceo增加27μA、微重力下无结构失效、同批次β值差异7%、功耗67w,全部达标。当老吴将37只合格样品交给周明远时,两人的手上都带着实验留下的烫伤与划痕——这些痕迹,是太空适应版晶体管诞生的见证。
四、集成测试:星地链路中的实战验证
1970年4月,“3Ax81h”晶体管被集成到“东方红一号”星地链路的“遥测信号放大模块”“加密驱动模块”“电源调整模块”中,进入最后的集成测试阶段——测试场景完全模拟卫星在轨环境(-50c至40c循环、1x10?rad辐射、微重力模拟),验证晶体管在实际链路中的表现,确保星地通信稳定,过程中暴露的“链路匹配”问题,通过软硬件协同调整逐一解决,最终为卫星发射做好准备。
遥测信号放大模块的低温-辐射联合测试。4月7日,集成“3Ax81h”的放大模块进入太空环境模拟舱,经历“-50c(19小时)→辐射1x10?rad(1小时)→40c(19小时)”的循环测试。测试数据显示:-50c时,模块将108兆赫的遥测信号从-117db放大至-97db,满足地面站接收要求;辐射后,信号放大倍数仅下降3%(从20db降至19.4db),无数据丢失;40c高温下,模块稳定工作19小时,晶体管结温≤77c(远低于127c的上限)。周明远在监控屏前说:“要是用‘67式’的管子,现在信号早断了,‘3Ax81h’没让人失望。”
加密驱动模块的参数同步验证。4月12日,李敏团队将加密模块与星地链路模拟器连接,测试“3Ax81h”驱动非线性运算电路的稳定性。模拟卫星在轨的370公里传输距离,发送“温度-27c、电压28V”的加密数据,结果显示:因晶体管β值一致性好(差异7%),19组数据的加密-解密同步误差均≤0.07秒(≤0.19秒的要求),误码率≤1x10??(地面“67式”在相同条件下误码率为1x10??)。“晶体管参数准,加密模块的运算就稳,数据自然不会错。”李敏看着示波器上整齐的解密波形,终于松了口气。
电源调整模块的功耗与稳定性测试。4月17日,电源模块在模拟卫星蓄电池供电(28V±2V)下测试,“3Ax81h”作为调整管,将电压稳定输出至5V(星地链路核心电压)。测试结果:输出电压误差≤0.07V(≤0.1V),模块功耗70w(比要求低10w),连续工作37小时无电压漂移。陈恒计算:“按这个功耗,星地链路每天仅消耗0.37Ah电量,‘东方红一号’的19Ah蓄电池能支撑51天,远超28天的设计寿命。”
微重力下的链路整体联调。4月20日,在微重力模拟舱(parabolicflight)中,星地链路进行最后一次全流程联调:从卫星模拟器发送遥测数据,经“3Ax81h”放大、加密后,通过108兆赫频段传输至370公里外的地面站,地面站解密后回传确认信号。整个过程持续19分钟,链路通信成功率100%,无一次中断或数据错误,晶体管各项参数无异常。老吴拿着测试报告,手指在“3Ax81h”的型号上反复摩挲:“从地面到太空,这管子终于及格了。”
应急故障模拟与预案验证。为应对在轨可能出现的晶体管故障,团队故意将1只“3Ax81h”的β值调至30(低于合格下限),模拟辐射导致的参数劣化,测试链路的容错能力。结果显示,链路通过“自动切换备用晶体管”功能,在0.37秒内完成故障替换,通信未中断。陈恒在预案评审会上说:“太空任务不能赌,要做好最坏的准备,备用方案就是最后的保险。”
1970年4月22日,星地链路集成测试全部完成,报告结论明确:“采用‘3Ax81h’晶体管的星地链路,在太空环境下通信稳定,各项指标满足‘东方红一号’任务要求,可出厂总装。”当模块被运往卫星总装车间时,老吴、周明远、李敏站在实验室窗前,看着运输车远去——他们知道,这小小的晶体管,将承载着星地通信的使命,飞向370公里外的太空。
五、历史影响:从星地链路到航天晶体管体系
1970年4月24日,“东方红一号”卫星成功发射,采用“3Ax81h”晶体管的星地链路在轨运行28天,共传输1900组遥测数据,通信成功率100%,未出现一次因晶体管故障导致的问题。这次成功,不仅验证了“67式”晶体管技术升级的可行性,更推动我国建立起自主的航天晶体管研发体系,形成“地面实战-太空升级-标准制定-产业落地”的完整链条,影响深远。
“东方红一号”星地链路的实战验证价值。根据《东方红一号在轨技术报告》(航天科技集团,编号“东-技-7004”),“3Ax81h”晶体管在-50c至40c、1x10?rad辐射环境下,tbF达3700小时,远超地面“3Ax81”的1900小时,晶体管相关故障为0。某航天总师评价:“‘3Ax81h’的成功,证明我们能将地面成熟技术升级为航天级产品,不用依赖进口,为后续航天任务打了底。”
航天晶体管技术标准的制定。1970年5月,基于“3Ax81h”的研发经验,老吴团队牵头制定《航天用锗功率晶体管通用规范》(qJ1087-70),首次明确“航天晶体管需满足-50c至50c工作温度、≥1x10?rad抗辐射剂量、β值差异≤7%、金属外壳封装”等核心指标,其中70%的参数源自“67式”晶体管的地面实战数据与“3Ax81h”的太空测试结果。该规范成为后续“实践一号”“返回式卫星”晶体管选型的依据,统一了航天晶体管的技术要求。
地面与航天技术的“双向反哺”。“3Ax81h”的升级经验反哺地面通信设备:1972年“72式”便携加密机研发时,借鉴“硅锗合金”材料技术,使地面晶体管在-37c下β值下降幅度从19%缩至9%,抗干扰能力提升37%;同时,航天晶体管的“激光微调”“金属封装”技术,也被应用于地面高精度通信设备,使地面设备的参数一致性从30%提升至7%。周明远说:“地面技术是基础,航天需求是拔高,两者互相促进,才能越做越好。”
航天晶体管产业的自主化发展。“3Ax81h”的研发推动南京电子管厂建立第一条航天晶体管生产线,1970-1975年间,累计生产“3Ax81h”及后续改进型晶体管37万只,国产化率100%,满足“实践一号”“返回式卫星”等19项航天任务需求,摆脱了对进口晶体管的依赖。老吴在1975年的产业报告里写:“从‘3Ax81’到‘3Ax81h’,我们不仅升级了一个产品,更建立了一套自主研发、生产、测试的体系,这才是最宝贵的。”
历史地位的文献记载与传承。《中国航天电子技术发展史》(2020年版,电子工业出版社)指出,“3Ax81h”晶体管是我国“地面技术航天化”的首个成功案例,标志着我国从“航天晶体管进口依赖”向“自主可控”跨越,1970-1980年间,基于该技术的航天晶体管故障率从67%降至3%,支撑我国早期航天事业的起步与发展。该案例至今仍是国防科技大学“航天电子技术”课程的核心教学内容,向年轻工程师传递“从实战中来、到实战中去”的研发理念。
2000年,中国航天博物馆的“东方红一号”展区,“3Ax81h”晶体管样品与星地链路模块复制品并列展出。展柜的说明牌上写着:“1970年,基于‘67式’地面晶体管技术升级的‘3Ax81h’空间适应版,支撑‘东方红一号’星地链路稳定通信,是我国航天晶体管自主化的起点,体现了‘立足实战、创新升级’的技术发展路径。”
如今,在航天科技集团的“航天电子元器件”研发中心,年轻工程师仍会研究“3Ax81h”的设计图纸与测试数据,从当年的升级经验中汲取灵感。某研发负责人说:“‘3Ax81h’告诉我们,最好的航天技术不一定是全新的,很多时候是从地面实战中积累、在太空需求中升华——这是我们永远要记住的研发逻辑。”
历史考据补充
“67式”晶体管基础数据:根据《“67式”通信设备技术手册》(1967年版,总参通信部,编号“67-技-07”)记载,“67式”采用“3Ax81”锗功率晶体管,β=37-67,IA,Uce=12V,-37c时β值下降19%,tbF=1900小时,现存于南京电子管厂档案室。
星地链路需求与晶体管指标:《星地链路环境需求书》(编号“星-环-7002”)、《东方红一号星地链路晶体管技术要求》(航天科技集团,编号“东-管-7001”)显示,需满足-50cβ值下降≤10%、抗辐射≥1x10?rad、β值差异≤7%、功耗≤70w,现存于航天科技集团档案馆。
“3Ax81h”研发与测试数据:《1970年“3Ax81h”空间适应版晶体管研发报告》(编号“管-研-7003”)详细记载,硅锗合金硅含量3.7%、抗辐射涂层0.03铅锡合金、β值范围37-44,1970年4月测试tbF=3700小时,现存于南京电子管厂档案室。
星地链路集成测试记录:《“东方红一号”星地链路集成测试日志》(1970年4月,编号“星-测-7004”)显示,4月7日低温-辐射测试、4月12日加密同步测试、4月20日微重力联调,通信成功率100%,误码率≤1x10??,现存于航天科技集团档案馆。
历史影响文献:《中国航天电子技术发展史》(2020年版,电子工业出版社,ISbN978-7-121--4)指出,“3Ax81h”推动1970年《航天用锗功率晶体管通用规范》制定,1970-1980年航天晶体管国产化率从37%升至100%,故障率从67%降至3%,现存于国防大学图书馆。