空间站天和核心舱的研究所力量
来源:    时间:2021-04-29    点击数:

        4月29日11时23分,空间站天和核心舱在中国文昌航天发射场发射升空,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,兰州空间技术物理研究所再次聚力出发,研制的主动电位控制子系统、机械臂操作台、舱门快速检漏仪、空间站综合显示单元、音频单元、照明设备、空间站用电源产品等产品,将在空间站天和核心舱中发挥重要作用,进一步彰显研究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。

        该系统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,创新性强。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。

        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,研究所集中所内优势专业,成立了由空间环境载荷工程中心、电推进事业部、二次电源事业部、压力容器事业部研制人员组成的研制队伍,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,实现了“可展开、测得准、控得住”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。空间机械臂无论是自主运行还是在轨、亦或地面对其开展遥操作控制,都离不开研究所研制的机械臂操作台。

        机械臂操作台是空间站机械臂的管理中心,它一头管理着机械臂、一头联系着航天员与地面测控中心,由3台电子类设备、2台机电类设备和1台机构类设备组成。机械臂操作台是空间机械臂操作与控制的中心,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。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,突破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对实时性要求苛刻的关键技术,实现了对空间机械臂操控大环路的控制指标,整体指标达到了国际先进水平。

 

 

空间站的门神—— 舱门快速检漏仪

        在空间站的服役期内,天和核心舱要与问天舱、梦天舱、多艘载人飞船和货运飞船实现对接,航天员要在轨进行出舱和穿舱活动,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,舱门是否密封良好对保障航天员生命安全至关重要,需精准快速检测舱门的密封性。空间站舱门快速检漏仪即是在完成舱门关闭后对舱门和对接框密封面进行快速漏率检测的机电一体化设备。

        舱门关闭后,舱门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。利用压力变化比较快速和明显的特点,检漏仪能够将气体压力采集精度控制在十几帕,确保了快速检漏结果的准确性。如发生泄漏,舱门快速检漏仪会立刻发出报警指示。

        在空间站中,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,配备12.1"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。

       针对空间站任务对仪表设备运算数据量大、操作任务复杂等特点,综合显示单元设计采用高性能处理器平台,该平台也属我国载人航天任务中的首次应用。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的能力,研制组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。研制组面临的第二个难题是需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。航天员着舱内航天服时,无法操作常见的电容式和电阻式触摸屏,为此研制组设计了具有自主知识产权的系统,开发了适应空间环境的红外触摸屏,该系统代码量仅为操作系统的1%,采用了特殊的内存管理技术,使之不会出现死机、蓝屏等现象,使航天员可以在空间中有效地进行触摸操作,减轻了在轨操作负担。

        空间站综合显示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。

 

航天员的语音设备——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。音频单元可以支持多类型、多通道音频终端的输入输出,可以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。软件研制团队在充分调研的基础上,提出了软件三级加载方案,该方案可以应对复杂的空间硬件环境和通讯环境,确保在最恶劣的情况下软件不会“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,掌握了复杂天地数据传输过程中的技术细节,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。空间站音频单元还具有免提通话功能,为了保证语音播报质量及通话效果,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,克服了设备空间有限、扬声器与麦克风物理距离过近、可选材质限制等难题,解决了声学设备容易出现的回声抑制、自激啸叫等问题。在语音可懂度实验过程中,通过对整舱噪声环境分析,增加麦克风的信噪比,从而提高语音的可懂度。

 

 

航天员的太空家居照明体验——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。研究所承担了天和核心舱大部分照明产品研制工作,配套照明类产品共计12种,60余台/套。其中全新设计的照明产品主要包括情景照明产品、便携照明产品和舱外泛光照明产品。

        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。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。情景照明产品的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,通过对色温、亮度、照明区域的可控调节,极大提升了航天员在轨工作、生活的便利性和舒适性。

        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,目前在国外空间领域并无同类产品。便携照明设备满足了在舱内、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。

       舱外泛光照明提供航天员出舱时行走路径上的辅助泛光照明以及舱外摄像照明。是我国首次在轨应用的舱外空间环境长寿命照明产品,让航天员在地球的阴影区也能正常进行舱外活动。

 

航天员的“充电器”—— 空间站用电源产品

        研究所此次为天和核心舱提供了2种类型20个模块正样产品,分别为信号处理器和载荷控制器供电,产品尺寸小、重量轻,主要为继承类产品。

        信号处理器和载荷控制器用模块电源是在地面测试和在轨运行的各阶段,将一次电源电压变换成信号处理器和载荷控制器供电所需的各路电压/功率,同时实现对一次母线的过流保护和各设备与一次母线之间的故障隔离。

        在空间站天和核心舱任务中,研究所继续发挥自身技术优势,集全所科研力量再次出击,用不辞辛苦自主创新的精神,以脚踏实地团结协作的态度,为我国航天事业贡献了属于研究所的力量。

 

 
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