510所多项产品助力空间站常驻太空

4月29日,我国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(www.fkhp.net)。

中国航天科技集团有限公司五院510所(以下简称510所)天和任务型号指挥马洪炯告诉记者,该所在此次天和任务中再次聚力出发,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。此次510所承担了5个分系统中94台产品的研制任务,在未来的空间站中共承担了682台产品(包括此次94台产品)的研制,进一步彰显该所齐心协力、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

马洪炯告诉记者,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主管设计师孙迎萍说,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。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,百分之百的竖立并展开,将探头伸入空间等离子体环境中。同时,要实现电位的精确测量,必须采用非接触测量方法。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。其难点在于在较低的工作电压内,发射5A的强电流。同时,发射的电子能与空间等离子体相适应,实现结构电位的自适应控制。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。

马洪炯表示,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。达到了“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

510所机电产品事业部书记马动涛告诉记者,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。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对实时性要求苛刻的关键技术的突破,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。”马动涛自豪地说。

航天员的“显示器”——综合显示单元

510所研制的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英寸液晶显示屏,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。

马洪炯告诉记者,与神舟、天宫等载人航天器相比,空间站不仅增加了载重量,各系统的复杂度也成倍增加,需监控的参数类型和数量成倍增长,对仪表显示系统的功能要求也更高。马洪炯告诉记者,以往神舟飞船仪表显示单元“DOS操作界面”及按键式的人机交互方式已经不能满足空间站显示设备复杂页面的要求,迫切要求综合显示单元向便捷交互的时代迈进,这个跨越,代表了综合显示单元软硬件系统质的飞跃。

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,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。马洪炯说,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GUI系统,开发了适应空间环境的红外触摸屏,GUI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。

马洪炯告诉记者,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。为适应空间站任务的变化,空间站音频单元软件还可以进行在轨升级。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,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。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,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,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。

空间站的门神——舱门快速检漏仪

在空间站的服役期内,天和舱要与问天舱、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,因此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。

舱门在关闭后,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。

航天员的太空家居照明体验——空间站照明设备

天和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。510所承担了天和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。”马洪炯告诉记者。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,这些设计都极大地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。针对锂电池短路可能导致的起火、爆炸问题,便携照明设备采取了多项技术,确保了锂电池空间应用的可靠性。

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。该产品攻克解决了空间电离总剂量辐照环境、紫外辐照环境、原子氧腐蚀环境长时间耐受的技术难题,让航天员在地球的阴影区也能正常进行舱外活动。

除此之外,天和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。

航天员的“充电器”——空间站用电源产品

510所此次为天和舱提供了2种类型20个DC-DC模块正样产品,分别为信号处理器和载荷控制器供电。

据介绍,信号处理器和载荷控制器用DC-DC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。

信号处理器和载荷控制器用DC-DC模块电源产品尺寸小、重量轻,主要为继承类产品,用到的基本功率电路结构在多个飞行型号产品中得到了充分的验证,同时继承了多个飞行型号产品的电路设计和元器件选用,技术风险已得到了充分的验证。

兰州日报社全媒体记者 孙 理 图片由510所提供

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