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  • “天和”的510所力量

    时间:2021-05-02 22:08:42  来源:  作者:

    新甘肃·甘肃日报记者李满福

    4月29日11时23分,中国空间站天和核心舱在文昌航天发射场点火升空。此次发射,不仅标志着我国载人航天工程“三步走”成功迈出第三步,更宣告了中国开启空间站任务的新时代。

    天和核心舱是我国空间站核心舱,是空间站的管理和控制中心,负责空间站组合体的统一管理和控制,支持实验舱、载人飞船、货运飞船等飞行器与其交会对接和在轨组装,具备接纳航天员长期访问和物资补给的能力,支持开展航天医学和空间生命科学试验。

    在此次任务中,航天科技集团五院510所再次聚力出发,研制的主动电位控制子系统、机械臂操作台、照明设备等产品,将在空间站天和核心舱中发挥重要作用,再次彰显了510所齐心协力、拼搏创新的科研力量。

    航天员的“金钟罩”——主动电位控制子系统

    我国空间站采用高压电池阵,在电离层等离子体环境中其主体结构将产生最高约-100V的电压,当航天员出舱活动时,犹如工作在“高压电线”上,生命安全受到极大的威胁,国际空间站将航天员出舱过程中舱体对航天员放电列为致命级的危害。主动电位控制子系统就是将空间站结构电位控制在安全电压范围内,保证航天员出舱时的生命安全,是保证空间站建设必须解决的核心关键技术。

    主动电位控制子系统联试现场。

    “这是我国卫星主动电位控制技术的首次在轨应用,技术难度大,质量要求高,创新性强。”510所载人航天任务指挥马洪炯说,与此前他经历过的各项任务相比,此次任务复杂程度更高,压力也更大。

    主动电位控制子系统由电位检测探头、空心阴极发射器、管理单元、电源单元和供给单元组成。电位检测探头用于测量空间站的结构电位,其难点在于必须保证探头在折叠状态下,百分之百的竖立展开,将探头伸入空间等离子体环境中。同时,须采用非接触测量方法,实现电位的精确测量。空心阴极发射器是主动电位控制最核心的部件,其作用是产生高强度的电子电流,将空间站的电位控制在安全电压以内。管理单元用于监测系统的工作状态,并实现整个系统的控制。其难点在于对故障的实时检测、定位及瞬时恢复,以提高整个系统的可靠性。供给单元用于为空心阴极提供工质,其难点在于必须提供稳定的微小流量氙气。

    马洪炯介绍,该系统集成了空间电位测量、电位控制、在轨诊断等新技术,涉及多学科。为此,510所集中了所内优势力量,成立了由多部门参与的研制队伍,突破了空心阴极大电子束流发射、电位探头伸杆结构优化和绝缘隔离、故障的实时诊断,微小气体流量控制技术,发明了测控一体的卫星结构电位主动控制系统,可将空间站结构电位控制在-37V,性能指标优于国际空间站的-40V,达到国际先进水平。达到了“可展开、测得准、控的住”的目标,保证了我国空间站在轨安全稳定运行。

    空间机械臂系统的“大脑”——机械臂操作台

    空间机械臂是我国进行空间站建造、运营和维护的智能机械手臂,是航天员的得力助手,也是我国空间站达到国际先进水平的重要标志。用510所机电产品事业部马动涛研究员的话说,这一块是空间机械臂系统的“大脑”,无论是自主运行还是在轨、地面操控,都离不开他们所研制的机械臂操作台。

    操作台测试。

    马动涛研究员介绍,机械臂操作台一头管理着机械臂,一头联系着航天员与地面测控中心;它是空间机械臂与空间站数据交互的集散地,也是航天员与机械臂实现交互的终端。机械臂操作台针对空间机械臂复合运动、单自由度运动等操控需求,提供了主从异构型的交互模式,丰富了我国航天员在轨人机交互的方式,解决了航天员对空间机械臂的有效操控和直接监测。另外机械臂操作台也是在轨进行机械臂操控的学习机,提供的在轨训练模式可供航天员对空间机械臂操作进行流程预演与确认。

    机械臂操作台基于国产计算平台研发,实现了在计算资源受限情况下的并联机构闭环控制、力渲染、空间矢量控制、系统微振动抑制、图形显示及加速、投射电容触控技术等关键技术的突破,整体指标达到国际先进水平。

    太空之家的“灯”——空间站照明设备

    天和核心舱是我国首个长期在轨驻留的载人飞行器,航天员在舱内工作、生活及出舱活动都离不开照明设备。照明产品技术,本是510所的传统“拳头”技术之一。此次,天和核心舱大部分照明产品的研制工作交给510所,在情理之中。他们为此次天和核心舱全新设计了12种、60余台/套的照明类产品,主要有情景照明、便携照明和舱外泛光照明等产品。

    舱内情景照明产品包括通道照明、生活照明、阅读照明、维修用头灯、照明控制器等6类30余台产品。据软件产品主管设计师夏加高博士介绍,这是我国首次在空间飞行器上应用情景模式可调照明技术,也是全球首次在大型载人航天器内部全范围应用情景照明技术。

    群策群力。

    由于航天员长期在轨生活,以前载人飞船单一的照明模式会造成航天员工作效率降低,生物钟紊乱以及睡眠障碍等问题,情景照明产品通过对色温、亮度、照明区域的可控调节,可解决上述问题。照明模式可精确到工作模式、就餐模式、娱乐模式、睡眠模式等;照明区域也可细分为工作区、生活区、阅读区、维修区等;操作方式包括手持移动设备WiFi无线控制、照明开关板有线控制等,这些人性化的设计,为航天员在轨工作、生活,提供了一个暖心的“家”。

    空间站便携照明设备主要用于舱外精准维修照明和舱内母线掉电时航天员转舱或逃逸的应急照明,该设备满足了在舱内、舱外工况下连续工作6小时的苛刻需求,也是国内首次将锂电池应用于舱外便携式产品设计中。舱外泛光照明产品,则是为航天员出舱时行走路径上的辅助照明及舱外摄像照明而研制的产品,它是我国首次在轨应用的舱外空间环境长寿命照明产品。

    除此之外,天和核心舱照明产品还有报警灯、专用照明灯、专用照明控制板等特殊场景灯具,它们和上述三类照明产品就如同葫芦兄弟一样,缺一不可,相辅相成,共同构建了一个明亮、舒适的中国空间站光环境。

    空间站的“门神”——舱门快速检漏仪

    在空间站的服役期内,天和核心舱与其他舱、飞船实现对接,航天员在轨出舱、穿舱等,都需要打开和关闭舱门。航天员在舱内要生存,维持其正常生活的气体不能泄漏,舱门是否密封良好至关重要。

    舱门快速检漏仪,即是快速漏率检测的机电一体化设备。510所技术团队介绍,舱门在关闭后,快速检漏仪创新性地利用了舱门的特有结构,利用门体上的两道密封圈与门框之间形成的小空间,通过向小空间内充入一定量的检测气体,监测其压力变化来判断舱门的密封情况。如发生泄漏,舱门快速检漏仪会立刻发出报警指示。他们打趣地说,舱门快速检漏仪像贴在空间站舱门上的“门神”,为航天员提供舱门密封状态信息,确保航天员工作和生活环境的安全。

    航天员的“显示器”——综合显示单元

    空间站综合显示单元,承担着空间站、货运飞船重要参数显示、报警信息处理及手控指令的发送、在轨维护等任务。其配备的液晶显示屏,是一台集图形显示、语音通报、灯光报警驱动、指令发送、触摸操作、多总线通讯等多功能于一体的新一代航天仪表设备。

    为了确保在复杂宇宙射线和高能粒子条件下高速硬件系统正常工作,510所研制团队开展了上百次仿真和实物验证试验,解决了高速电子线路抗辐照加固的难题。其设计采用的高性能处理器平台,也是在我国载人航天任务中的首次应用。

    设计适应于太空环境的“显卡”系统并实现大屏幕的显控技术,是研制组面临的又一难题。为此研制组设计了具有自主知识产权的GUI系统,开发了适应空间环境的红外触摸屏。该系统可使航天员在空间中有效进行触摸操作,减轻了在轨操作负担。

    信息与软件中心软件主管设计师王国昱说,该单元作为人机交互仪表,将为航天员提供空间站的健康状态信息,持续为空间站运行和航天员安全保驾护航。

    航天员的“通讯网”——音频单元

    音频单元作为终端音频仪表设备,是空间站特有的音频设备。音频单元既能接收整个空间站的报警信息,实现对航天员的语音报警提示,还能实现航天员与地面的天地电话,实现多舱状态下各舱段航天员之间及地面测控中心的会议通话功能,为航天员在轨通话提供了多种模式。

    音频单元调试。

    音频单元作为空间站中唯一的外放式音频设备,在研制过程中面临着较多的声学设计难题。软件研制团队在调研的基础上,提出了软件三级加载方案,确保在恶劣环境下软件不会“死机”。在空间站天地通讯网数据注入实验过程中,研制团队经过48小时不间断测试,掌握了复杂环境下数据上传带宽和时延容限等技术细节,制定了窄带宽、长时延、高误码率情况下的软件在轨注入策略。该单元还有“免提”功能,为保证语音播报质量及通话效果,研制组自主开发了回声抑制算法、自激抑制功能,并优化了声腔结构,解决了声学设备容易出现的回声抑制、自激啸叫等问题,最终让所有通话“听得清”。

    在空间站天和核心舱任务中,510所本着技术有效传承和创新发展理念,继续弘扬载人航天精神,尽锐出击,为我国航天事业贡献了属于510所的力量。(文图素材由510所提供)

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