湖北團隊奮斗近30年，讓中國衛星跳動“中國心率”

45個“湖北造”銣原子鐘服役北斗三號

梅剛華在原子鐘整機調試間工作。 （受訪單位供圖）

湖北日報全媒記者 肖麗瓊

編者按

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“日常使用的時鐘如果每天快慢幾秒，計時精度就算很高了。但是一臺銣原子鐘，每天的計時誤差可能只有百億分之幾秒。”9月10日上午，在位于武漢的中國科學院精密測量科學與技術創新研究院（以下簡稱“精密測量院”），著名原子鐘專家梅剛華研究員這樣形容原子鐘的精度。

他的面前，是一個鞋盒大小的金色盒子。這個盒子正是甚高精度星載銣原子鐘——每天計時誤差不超過百億分之三秒的“時間魔盒”，北斗衛星導航系統的“心臟”。

為讓這顆北斗“心臟”跳出“中國心率”，梅剛華和團隊奮斗了近30年。“現在的北斗三號衛星上，裝備了45個我們的銣原子鐘！”梅剛華的自豪之情溢于言表。

歐美技術封鎖，倒逼湖北科學家自主研發

“做不出原子鐘，北斗系統就建不成。”北斗工程總設計師孫家棟院士曾這樣界定原子鐘的關鍵作用。

原子鐘是基于量子物理學的基本原理——原子由原子核和電子組成，電子在不同的能級之間躍遷時，會釋放特定頻率的電磁波，這些電磁波的頻率是固定的，不受外界干擾，因此可以用來作為時間標準。

梅剛華說，日常生活中，大家或許感受不到原子鐘的存在，然而正是依靠原子鐘的計時精度，讓人類每一場競賽、每一次衛星發射，乃至金融市場的每一筆交易，都能在時間的洪流中找到自己的精準坐標。

星載原子鐘是北斗的“心臟”，卻一度是北斗人的“心病”。

1985年，梅剛華從武漢大學碩士畢業，分配到中國科學院武漢物理與數學研究所（簡稱“武漢物數所”，精密測量院前身）。武漢物數所是我國最早開展原子鐘研究的單位，也是梅剛華“夢開始的地方”。

梅剛華早期從事了10年的原子物理基礎研究。他由此獲得博士學位，也練就了扎實的原子鐘技術研究基本功。

20世紀90年代，我國制定了北斗衛星導航系統“三步走”發展戰略。能否實現原子鐘技術突破，關系到北斗系統建設的成敗。當時，星載原子鐘技術僅為少數西方國家所掌握，在我國屬于技術空白。星載原子鐘機理復雜、技術難度極大，要實現從無到有的突破，難度可想而知。

1997年，梅剛華團隊接下研制北斗星載銣原子鐘的任務。此時，歐美國家已經先行了近30年。

“剛開始的時候，我們銣鐘的精度跟西方發達國家比差了將近100倍。在可靠性、壽命、衛星環境適應性方面，更是連設計概念都沒有，差不多是一片空白。”面對歐美的技術封鎖，梅剛華明白，只能走自主研發這一條路。

越是關鍵，就越要去攻克

從核心部件突破！

微波腔是銣原子鐘的核心部件。在深入研究現有技術局限性的基礎上，他創新性地提出，利用一個開槽管結構，可能大大改善微波腔的性能。但是，在一個膠卷大小的開槽管上開幾個槽，槽的寬度是多少，長度是多少，當時沒有計算機模擬仿真技術，他只能憑經驗一點點嘗試，一個個參數摸索。歷經無數日夜、反復試驗，試驗品竟裝滿了幾抽屜。

終于，憑借著不服輸的倔強，梅剛華成功研制開槽管微波腔，奠定了銣鐘高穩定度和小型化技術基礎。國內權威專家認為該技術是我國科技工作者在原子鐘方面作出的“不可多得的創新性貢獻”。

攻克第一道難關后，梅剛華又把目標鎖定在銣光譜燈上，這是銣鐘的另一個核心部件。普通的譜燈光強起伏大，銣樣品消耗快，且無法在衛星的真空環境下工作。梅剛華帶領團隊通過無數次試驗，發明了一種新型光譜燈，能夠在真空條件下長期穩定工作，克服了限制銣鐘壽命和衛星環境適應性的主要障礙。

2018年11月19日，在西昌衛星發射中心以“一箭雙星”方式成功發射的我國北斗三號系統第十八、第十九顆組網衛星，首次裝載了精密測量院研制的甚高精度星載銣原子鐘。這是梅剛華團隊為北斗研制的第三代銣鐘，性能指標超越GPS系統的同類技術，居國際領先水平，可為北斗系統提供分米級定位能力。

回顧那段自力更生的歲月，梅剛華感嘆：“一味地跟從，最多跟別人做得一樣好；要超越別人，就必須創新。什么東西難你就得干什么，越是覺得那個東西關鍵，你就越是要去攻克。”

今年6月24日，2023年度國家科學技術獎在京揭曉，梅剛華團隊完成的“北斗三號衛星導航系統星載銣原子鐘技術實現與應用”項目榮獲2023年度國家科學技術進步獎二等獎。這是梅剛華團隊繼2015年獲得國家技術發明二等獎之后，再次獲得國家科技獎表彰。