2025年8月，北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)成功部署的背后，是中國航天人實現(xiàn)了有效載荷部件100%國產(chǎn)化的壯舉。這其中，厚膜混合集成電源模塊作為航天器的“能量心臟”，在太空極端環(huán)境中發(fā)揮著不可替代的作用。
太空中的高能粒子輻射（如質(zhì)子和重離子）會引發(fā)單粒子效應(yīng)，導(dǎo)致電路邏輯錯誤或短路，并造成器件累積性電離損傷——傳統(tǒng)電源難以承受低軌衛(wèi)星的輻射劑量。

1太空極端環(huán)境對電源模塊的苛刻需求
太空環(huán)境對航天器電源系統(tǒng)提出了三重極端挑戰(zhàn)：輻射強度高、溫度波動大、機械應(yīng)力復(fù)雜。這些因素共同決定了厚膜電源模塊必須采用特殊設(shè)計和工藝。
高能粒子輻射會引發(fā)單粒子效應(yīng)，導(dǎo)致電路邏輯錯誤或短路，并造成器件累積性電離損傷。低軌衛(wèi)星至少需要承受50krad(Si)的輻射劑量，這是傳統(tǒng)電源難以企及的水平。
溫度波動方面，太空電源模塊需要在-55℃～+125℃的殼溫范圍內(nèi)正常工作，存儲溫度更是要求達(dá)到-65℃～+150℃的環(huán)境溫度。這種極端的溫度波動對電源模塊的熱管理設(shè)計和材料選擇提出了極高要求。
機械環(huán)境同樣苛刻?；鸺l(fā)射過程中產(chǎn)生的極高加速度和強烈隨機振動，會導(dǎo)致傳統(tǒng)電源模塊出現(xiàn)可靠性問題。厚膜混合集成工藝通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇，能夠有效抵抗這些機械應(yīng)力。

2厚膜混合集成技術(shù)的突破性優(yōu)勢
厚膜混合集成電源模塊采用氧化鋁或氮化鋁陶瓷基板，通過多層布線實現(xiàn)高密度集成，體積比常規(guī)電源縮小50%以上。這種小型化設(shè)計對航天應(yīng)用至關(guān)重要，因為衛(wèi)星對重量和體積有著近乎苛刻的限制。
金屬氣密封裝是另一項關(guān)鍵技術(shù)。采用硅鋁合金外殼配合平行縫焊工藝，能夠嚴(yán)格控制內(nèi)部水汽含量，防止真空環(huán)境材料揮發(fā)。這種封裝技術(shù)確保了電源模塊在太空真空環(huán)境下的長期可靠性。
微功率設(shè)計精準(zhǔn)匹配星載傳感器、通信芯片的毫瓦級至數(shù)瓦級供電需求，顯著降低待機功耗，延長衛(wèi)星能源壽命。這種設(shè)計理念滿足了現(xiàn)代航天器對高效能源管理的需求。

3國產(chǎn)化進(jìn)程的艱辛與成就
北斗三號衛(wèi)星的有效載荷實現(xiàn)了部件級的100%國產(chǎn)化率，這在我國發(fā)射的所有衛(wèi)星中是第一次實現(xiàn)如此高的國產(chǎn)化率。這一成就背后是中國航天人十余年的艱苦努力。
在北斗研制過程中，曾發(fā)生關(guān)鍵元器件的外國生產(chǎn)廠家突然通知由于政府原因停止供貨的事件。此時國產(chǎn)技術(shù)攻關(guān)已完成，專家們果斷決定用國貨替代。
外商得知后態(tài)度立刻改變，不僅馬上可以供貨并且降價一半以上。但這個經(jīng)歷更加堅定了中國推進(jìn)航天產(chǎn)品國產(chǎn)化的決心。
西安分院在原子鐘、行波管放大器、固態(tài)放大器、微波開關(guān)、大功率隔離器等5大類19項國產(chǎn)化部件方面推進(jìn)研制，并以“全國大聯(lián)合”的開闊視野，形成了由20多家科研院所和高校組成的研制隊伍。
這些聯(lián)合研制單位在各自的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)實力都是數(shù)一數(shù)二的，但它們大多沒有生產(chǎn)航天級產(chǎn)品的經(jīng)驗。航天產(chǎn)品要經(jīng)歷太空環(huán)境的嚴(yán)酷考驗，不論在設(shè)計還是生產(chǎn)制造、試驗驗證等各環(huán)節(jié)，都有著比一般產(chǎn)品更為嚴(yán)苛的把關(guān)條件。

4全國產(chǎn)化的戰(zhàn)略價值與必要性
實現(xiàn)航天電源模塊全國產(chǎn)化具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。首先，它是確保我國太空資產(chǎn)安全的基礎(chǔ)。核心器部件100%國產(chǎn)化意味著不再受制于國際政治風(fēng)云變幻，能夠自主控制太空基礎(chǔ)設(shè)施的供應(yīng)鏈。
全國產(chǎn)化帶動了國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的提升。如北斗三號使用了中國自主研制的第一片抗輻照四核片上系統(tǒng)芯片SoC2012，以及中國自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機操作系統(tǒng)SpaceOS2。
芯片的性能是北斗一期使用的進(jìn)口芯片的幾十倍，與當(dāng)前國際最高水平相當(dāng)。
全國產(chǎn)化還促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新和管理模式的變革。為了解決30顆衛(wèi)星快速生產(chǎn)的問題，西安分院創(chuàng)新提出衛(wèi)星有效載荷新的設(shè)計理念，將硬件平臺固化，軟件則可以根據(jù)需求進(jìn)行變化及升級。這種模式好比智能手機，可以通過“刷機”實現(xiàn)系統(tǒng)升級，將3年的研制周期縮短了一半，而產(chǎn)量卻翻番。

5技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案
厚膜電源模塊在設(shè)計過程中面臨著多重技術(shù)挑戰(zhàn)。EMI（電磁干擾）設(shè)計是一個典型例子。某型厚膜電源模塊隨微波接收機進(jìn)行EMC鑒定試驗時，發(fā)現(xiàn)在開關(guān)頻率及倍頻處有超差。
這是由于設(shè)計EMI濾波電路時，主要考慮了小型化的需求，差模濾波電路采用了一級，同時濾波電容、濾波電感取值較小，濾波能力有限。
熱管理設(shè)計是另一個挑戰(zhàn)。大功率厚膜電源模塊需要處理高熱量密度問題。寬范圍高壓輸入DC/DC變換器設(shè)計采用了高效的散熱設(shè)計和熱管理策略，確保在-55℃～125℃的寬溫度范圍內(nèi)正常工作。
內(nèi)部供電設(shè)計也需要特別考慮。寬范圍高壓輸入DC/DC變換器的最低輸入電壓為90V，最高為400V。
傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓供電方式在高電壓輸入時，線性穩(wěn)壓中的功率管壓降大、功率損耗嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電路轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計采用了變壓器輔助繞組供電經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓來實現(xiàn)，提供穩(wěn)定的15V工作電壓。

6未來發(fā)展方向與應(yīng)用前景
隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，厚膜混合集成電源模塊正朝著更高功率密度、更高效率、更智能管理的方向發(fā)展。未來還有幾個值得關(guān)注的發(fā)展方向：
在軌重構(gòu)能力是一個重要趨勢。類似于智能手機可以通過“刷機”實現(xiàn)系統(tǒng)升級，未來航天電源模塊也可以通過軟件升級改變性能參數(shù)。這種能力大大增強了航天器在軌服務(wù)的靈活性和壽命。
“北斗+”融合應(yīng)用正在加速落地。在北京，數(shù)萬輛出租車已安裝應(yīng)用北斗車載設(shè)備；在黑龍江、河南、安徽、四川等農(nóng)業(yè)發(fā)展重點地區(qū)，基于北斗系統(tǒng)的各類無人駕駛農(nóng)機可以實現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)。這些應(yīng)用都對航天電源技術(shù)提出了新的需求。
深空探測任務(wù)需要更高可靠性和更長壽命的電源解決方案。預(yù)計到2025年，我國還將建設(shè)更加泛在、更加融合、更加智能的綜合定位導(dǎo)航授時體系。這要求厚膜電源模塊進(jìn)一步優(yōu)化性能，提高在極端環(huán)境下的適應(yīng)性。
商業(yè)化航天應(yīng)用推動電源模塊向成本控制和規(guī)?；a(chǎn)方向發(fā)展。通過遠(yuǎn)程自動化測試系統(tǒng)，航天機構(gòu)已具備了4顆衛(wèi)星同時進(jìn)行各類測試的能力，衛(wèi)星有效載荷的測試效率提高了近50%。這種高效率測試方法是實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵。


今天，基于北斗系統(tǒng)的各類無人駕駛農(nóng)機在黑龍江、河南、安徽、四川等農(nóng)業(yè)發(fā)展重點地區(qū)實現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)。這些農(nóng)機依賴的北斗信號，正來自于太空中那些搭載全國產(chǎn)化厚膜電源模塊的衛(wèi)星。中國航天科技集團五院西安分院通過“全國大聯(lián)合”模式，組建了20多家科研院所和高校的研制隊伍，最終實現(xiàn)了有效載荷部件100%國產(chǎn)化。這不僅解決了“卡脖子”問題，更牽引了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)水平提升，為中國航天持續(xù)創(chuàng)新奠定了堅實基礎(chǔ)。

審核編輯 黃宇