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空間站天和核心艙的研究所力量
來源： 時間：2021-04-29 點擊數：
4月29日11時23分，空間站天和核心艙在中國文昌航天發射場發射升空，不僅標志著我國載人航天工程“三步走”成功邁出第三步，更宣告了中國開啟空間站任務的新時代！ 天和核心艙是我國空間站核心艙，是空間站的管理和控制中心，負責空間站組合體的統一管理和控制，支持實驗艙、載人飛船、貨運飛船等飛行器與其交會對接和在軌組裝，具備接納航天員長期訪問和物資補給的能力，支持開展航天醫學和空間生命科學試驗。 在此次任務中，蘭州空間技術物理研究所再次聚力出發，研制的主動電位控制子系統、機械臂操作臺、艙門快速檢漏儀、空間站綜合顯示單元、音頻單元、照明設備、空間站用電源產品等產品，將在空間站天和核心艙中發揮重要作用，進一步彰顯研究所齊心協力拼搏創新的科研力量。
航天員的“金鐘罩”——主動電位控制子系統 我國空間站采用高壓電池陣，在電離層等離子體環境中其主體結構將產生最高約-100V的電壓，當航天員出艙活動時，猶如工作在“高壓電線”上，生命安全受到極大的威脅，國際空間站將航天員出艙過程中艙體對航天員放電列為致命級的危害。主動電位控制子系統就是將空間站結構電位控制在安全電壓范圍內，保證航天員出艙時的生命安全，是保證空間站建設必須解決的核心關鍵技術。 該系統是我國衛星主動電位控制技術的首次在軌應用，技術難度大，創新性強。主動電位控制子系統由電位檢測探頭、空心陰極發射器、管理單元、電源單元和供給單元組成。 該系統集成了空間電位測量、電位控制、在軌診斷等新技術，涉及多學科。為此，研究所集中所內優勢專業，成立了由空間環境載荷工程中心、電推進事業部、二次電源事業部、壓力容器事業部研制人員組成的研制隊伍，突破了空心陰極大電子束流發射、電位探頭伸桿結構優化和絕緣隔離、故障的實時診斷，微小氣體流量控制技術，發明了測控一體的衛星結構電位主動控制系統，可將空間站結構電位控制在-37V，性能指標優于國際空間站的-40V，達到國際先進水平，實現了“可展開、測得準、控得住”的目標，保證了我國空間站在軌安全穩定運行。
空間機械臂系統的大腦——機械臂操作臺 空間機械臂是我國進行空間站建造、運營和維護的智能機械手臂，是航天員的得力助手，也是我國空間站達到國際先進水平的重要標志�？臻g機械臂無論是自主運行還是在軌、亦或地面對其開展遙操作控制，都離不開研究所研制的機械臂操作臺。 機械臂操作臺是空間站機械臂的管理中心，它一頭管理著機械臂、一頭聯系著航天員與地面測控中心，由3臺電子類設備、2臺機電類設備和1臺機構類設備組成。機械臂操作臺是空間機械臂操作與控制的中心，是空間機械臂與空間站數據交互的集散地，也是航天員與機械臂實現交互的終端。機械臂操作臺針對空間機械臂復合運動、單自由度運動等操控需求，提供了主從異構型的交互模式，豐富了我國航天員在軌人機交互的方式，解決了航天員對空間機械臂的有效操控和直接監測。機械臂操作臺也是在軌進行機械臂操控的學習機，提供的在軌訓練模式可供航天員對空間機械臂操作進行流程預演與確認。 機械臂操作臺基于國產計算平臺研發，突破了在計算資源受限情況下的并聯機構閉環控制、力渲染、空間矢量控制、系統微振動抑制、圖形顯示及加速、投射電容觸控技術等對實時性要求苛刻的關鍵技術，實現了對空間機械臂操控大環路的控制指標，整體指標達到了國際先進水平。
空間站的門神—— 艙門快速檢漏儀 在空間站的服役期內，天和核心艙要與問天艙、夢天艙、多艘載人飛船和貨運飛船實現對接，航天員要在軌進行出艙和穿艙活動，都需要打開和關閉艙門。航天員在艙內要生存，維持其正常生活的氣體不能泄漏，艙門是否密封良好對保障航天員生命安全至關重要，需精準快速檢測艙門的密封性。空間站艙門快速檢漏儀即是在完成艙門關閉后對艙門和對接框密封面進行快速漏率檢測的機電一體化設備。 艙門關閉后，艙門快速檢漏儀創新性地利用了艙門的特有結構，利用門體上的兩道密封圈與門框之間形成的小空間，通過向小空間內充入一定量的檢測氣體，監測其壓力變化來判斷艙門的密封情況。利用壓力變化比較快速和明顯的特點，檢漏儀能夠將氣體壓力采集精度控制在十幾帕，確保了快速檢漏結果的準確性。如發生泄漏，艙門快速檢漏儀會立刻發出報警指示。 在空間站中，艙門快速檢漏儀像貼在空間站艙門上的“門神”，為航天員提供艙門密封狀態信息，確保航天員工作和生活環境的安全。
航天員的“顯示器”—— 綜合顯示單元 空間站綜合顯示單元承擔空間站、貨運飛船重要參數顯示、報警信息處理及手控指令的發送、在軌維護等任務，配備12.1＂液晶顯示屏，是一臺集圖形顯示、語音通報、燈光報警驅動、指令發送、觸摸操作、多總線通訊等多功能于一體的新一代航天儀表設備。 針對空間站任務對儀表設備運算數據量大、操作任務復雜等特點，綜合顯示單元設計采用高性能處理器平臺，該平臺也屬我國載人航天任務中的首次應用。為了確保在復雜宇宙射線和高能粒子條件下高速硬件系統正常工作的能力，研制組開展了上百次仿真和實物驗證試驗，解決了高速電子線路抗輻照加固的難題。研制組面臨的第二個難題是需設計適應于太空環境的“顯卡”系統并實現大屏幕的顯控技術。航天員著艙內航天服時，無法操作常見的電容式和電阻式觸摸屏，為此研制組設計了具有自主知識產權的系統，開發了適應空間環境的紅外觸摸屏，該系統代碼量僅為操作系統的1%，采用了特殊的內存管理技術，使之不會出現死機、藍屏等現象，使航天員可以在空間中有效地進行觸摸操作，減輕了在軌操作負擔。 空間站綜合顯示單元作為人機交互儀表，將為航天員提供空間站的健康狀態信息，持續為空間站運行和航天員安全保駕護航。
航天員的語音設備——音頻單元 音頻單元作為終端音頻儀表設備，是空間站特有的音頻設備。音頻單元可以支持多類型、多通道音頻終端的輸入輸出，可以接收整個空間站的報警信息，實現對航天員的語音報警提示，還能實現航天員與地面的天地電話，實現多艙狀態下各艙段航天員之間及地面測控中心的會議通話功能，為航天員在軌通話提供了多種模式。 音頻單元作為空間站中唯一的外放式音頻設備，在研制過程中面臨著較多的聲學設計難題。軟件研制團隊在充分調研的基礎上，提出了軟件三級加載方案，該方案可以應對復雜的空間硬件環境和通訊環境，確保在最惡劣的情況下軟件不會“死機”。在空間站天地通訊網數據注入實驗過程中，研制團隊經過48小時不間斷測試，掌握了復雜天地數據傳輸過程中的技術細節，制定了窄帶寬、長時延、高誤碼率情況下的軟件在軌注入策略�？臻g站音頻單元還具有免提通話功能，為了保證語音播報質量及通話效果，自主開發了回聲抑制算法、自激抑制功能，并優化了聲腔結構，克服了設備空間有限、揚聲器與麥克風物理距離過近、可選材質限制等難題，解決了聲學設備容易出現的回聲抑制、自激嘯叫等問題。在語音可懂度實驗過程中，通過對整艙噪聲環境分析，增加麥克風的信噪比，從而提高語音的可懂度。
航天員的太空家居照明體驗——空間站照明設備 天和核心艙是我國首個長期在軌駐留的載人飛行器，航天員在艙內工作、生活及出艙活動都離不開照明設備。研究所承擔了天和核心艙大部分照明產品研制工作，配套照明類產品共計12種，60余臺/套。其中全新設計的照明產品主要包括情景照明產品、便攜照明產品和艙外泛光照明產品。 艙內情景照明產品包括通道照明、生活照明、閱讀照明、維修用頭燈、照明控制器等6類30余臺產品。這是我國首次在空間飛行器上應用情景模式可調照明技術，也是全球首次在大型載人航天器內部全范圍應用情景照明技術。情景照明產品的照明模式可精確到工作模式、就餐模式、娛樂模式、睡眠模式等；照明區域也可細分為工作區、生活區、閱讀區、維修區等；操作方式包括手持移動設備WiFi無線控制、照明開關板有線控制等，通過對色溫、亮度、照明區域的可控調節，極大提升了航天員在軌工作、生活的便利性和舒適性。 空間站便攜照明設備主要用于艙外精準維修照明和艙內母線掉電時航天員轉艙或逃逸的應急照明，目前在國外空間領域并無同類產品。便攜照明設備滿足了在艙內、艙外工況下連續工作6小時的苛刻需求，也是國內首次將鋰電池應用于艙外便攜式產品設計中。 艙外泛光照明提供航天員出艙時行走路徑上的輔助泛光照明以及艙外攝像照明。是我國首次在軌應用的艙外空間環境長壽命照明產品，讓航天員在地球的陰影區也能正常進行艙外活動。
航天員的“充電器”—— 空間站用電源產品 研究所此次為天和核心艙提供了2種類型20個模塊正樣產品，分別為信號處理器和載荷控制器供電，產品尺寸小、重量輕，主要為繼承類產品。 信號處理器和載荷控制器用模塊電源是在地面測試和在軌運行的各階段，將一次電源電壓變換成信號處理器和載荷控制器供電所需的各路電壓/功率，同時實現對一次母線的過流保護和各設備與一次母線之間的故障隔離。 在空間站天和核心艙任務中，研究所繼續發揮自身技術優勢，集全所科研力量再次出擊，用不辭辛苦自主創新的精神，以腳踏實地團結協作的態度，為我國航天事業貢獻了屬于研究所的力量。
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