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为“天神”牵手贡献多项技术支撑

 

闫明星 刘忠奎 吉星 裴湘 韩放

  2011113日,我国首个空间实验室天宫一号与神舟八号飞船在深邃的太空中成功完成“天神”牵手,实现了载人航天工程首次空间交会对接任务。为了这次太空牵手的成功,“天神”在地面上预先做了成百上千次的演习。以服务国家航天科技事业为己任的我校参与了与此次交会对接相关的多个科技项目研发,攻克了多项技术难题,为“牵手”的成功提供了重要的技术支撑。

 

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 天宫一号成功发射(王若维 摄)

 

CCD光学成像敏感器:

“牵手”中的眼睛

    人类寻找目标的最直观方式就是用眼睛去看,在太空中的“牵手”也需要精确地找到对方才能完成。我校图像信息技术及工程研究所与中国航天科技集团五院502所合作,给天宫一号装上了“眼睛”,这就是CCD光学成像系统(CCD标识与定位系统)。这套系统的作用就是在目标飞船(天宫一号)和跟踪飞船(神舟八号等)两个空间飞行器对接口之间近距离至零米范围内自动、实时地完成反杂光干扰和标志识别、三维相对位置及其相对平移速度、三维相对姿态及其姿态角速率的测量,为两个空间飞行器实现在轨交会对接准确导航。我校因该项目还作为唯一高校参与载人航天二期工程交会对接航天项目的研制。

  我校主要承担该系统目标标志器与相机滤光片的研制。目标标志器为关键重要项目,装配在目标飞船天宫一号实验舱前锥段的舱体外表面上,向神舟八号上的CCD成像系统提供天宫一号的位置信息。相机滤光片则装配在神舟八号上的CCD摄像机光学镜头的前端,它好似一副太阳镜,具有滤除非标志光源波段之外的阳光及其他杂散光的干扰的功能,对完成目标的准确识别和位置参数的精确测量起着不可缺少的重要作用。

  在CCD光学成像敏感器研制过程中,如何使其实现稳定性高、可靠性强,并能够在强阳光、强辐射等恶劣环境中正常工作等技术要求是一个难题。面对困难,交会对接项目组工程师李冬冬、讲师朱兵等主要成员,在图像信息技术及工程研究所所长李金宗教授的指导下集思广益、团结协作、联合攻坚,进行了一系列开创性工作,解决了在技术、管理和工艺等方面遇到的许多问题与瓶颈。为了项目需要,团队成员经常奔波于北京、成都、兰州、太原、烟台、上海等地,进行器件加工、环境试验等,很多人都是大年三十才从外地赶回哈尔滨。李金宗教授更是忙着做科研,爱人去北京做手术也无法陪伴……正是他们忘我的工作与无私的付出,项目组顺利攻克了一个个技术难题,得到了上级部门的充分肯定与认可。

  据李金宗教授介绍,目标标志器的研制采取了诸多创新方法与技术,使其具备稳定性高、可靠性强等优势,并能够在强阳光、强辐射等恶劣环境中正常工作。该技术还填补了国内空白,处于世界领先水平。

  这双“眼睛”还将应用于神舟九号、 神舟十号以及天宫二号等空间飞行器中,完成“无人”或“载人”的交会对接任务,具有广阔的应用前景,为我国航天事业作出更大的贡献。

 

李宗金教授(左二)与他的科研团队在一起(兰锐 摄)

 

空间对接机构热真空试验台:营造太空“牵手”环境

  天上“牵手”并不容易。因为太空环境非常恶劣,飞行器以相当于地面每秒7.9千米以上的高速飞行,高真空,微重力,会出现许多我们在地面上难以想象的问题。比如,在地面环境中轻易不会粘合在一起的金属块,在高真空的太空中会像粘合剂粘在一起甚至焊在一起那样无法分开,这就是“冷焊现象”。平时机器的轴承正常运转就要加注一些润滑剂,但是在高真空环境中液体很容易蒸发,加上在太空环境中物体在阳光照射下的阳面和阴面会有巨大的温差,一般的润滑剂根本无法使用。

  为了让“天神”能够适应这种环境,我校机器人研究所和上海805所合作研制了空间对接机构热真空试验台。这种试验台实现了全六自由度模拟、全电动控制,也使我国成为世界上第三个在专用操作室三维虚拟环境下采用遥操作技术的国家。这是我国第一次在真空罐内实现大型对接模拟试验,也是国内首次实现大型地面动态测试设备在真空条件下的试验测试。

  “神八”上天之前,在这个试验台预先做了4次大型综合测试,通过完整模拟各种太空极限环境下的对接过程,获得测试机构在不同温度环境下的状态,成功排除了冷焊现象、大温差卡死等问题,实现并验证了高可靠性的真空润滑、大型复杂装配。

 

机器人研究所(冯健 摄)

 

九自由度运动模拟系统:为“牵手”精准定位

  “牵手”的正式说法应该是飞船与目标飞行器的交会对接。“交会是指两个或两个以上的飞行器在空间轨道上按预定的位置和时间靠近相会。对接则是指两个飞行器在空间轨道上实现机械结构上的连结。”我校控制与仿真中心姚郁教授介绍说,“天神”牵手要在高速飞行的条件下完成,位置稍有偏差都可能“擦肩而过”,甚至“迎面相撞”。因此,交会过程中必须实现精准定位,调整好双方的姿态才能顺利完成任务。这就需要在实施对接之前,导航、制导与控制系统应使飞行器的相对位置、相对姿态及相对速度都达到符合要求的技术状态。

  我校负责研制的九自由度运动模拟系统就是用于模拟交会过程中神舟八号和天宫一号空间运动的地面仿真设备。这套设备主要包括目标三轴台、追踪三轴台、三维平动系统3部分。其中目标三轴台用于模拟目标飞行器即本次实验中的天宫一号的姿态变化,追踪三轴台用于模拟追踪飞行器即本次实验中的神舟八号姿态的变化,三维平动系统则用于模拟两个飞行器之间相对位置变化。3个部分都要实现3个维度的控制,即所谓九自由度运动模拟系统,3个部分联动实现“牵手”位置的精准定位。

  在这个模拟系统的研制过程中,我校科研人员突破了机械结构设计、驱动与控制、测量与标定、高速实时通讯等多项关键技术,其综合指向精度指标达到国际领先水平。该系统于2008年正式投入使用,并开展了一系列相关试验,比2010年波音公司采用同类仿真设备的时间整整提前了两年。 

对接机构综合试验台运动模拟器:模拟真实“牵手”

  攻克了模拟环境和精准定位两道关口,关键的对接技术对于此次试验更加重要,因此对接机构的研制是实现航天器空间对接的关键。

  完整的对接过程包括初步接触、捕获、校直缓冲、拉紧锁定等几个步骤。参与这一项目攻关的我校电液伺服仿真及试验系统研究所副所长丛大成介绍说,对接机构综合试验台运动模拟器是对接机构综合试验台最重要的核心设备,它的目标功能是模拟常温与高低温环境中空间飞行器在对接过程中的相对运动,用于航天器空间对接机构的研制、测试和鉴定试验。该设备采用半物理仿真的方法,兼取数学仿真的灵活特性及物理模拟的真实性,实时模拟两个飞行器在设定对接初始条件下的对接动力学过程。

  空间对接过程的地面模拟对于对接机构综合试验台运动模拟器的各项性能指标均提出了极高要求。对接机构综合试验台要求对接机构综合试验台运动模拟器具有超大空间六自由度运动能力、超长工作行程、高系统频宽、高定位和轨迹复现精度、模态各向同性好、低速稳定性好、高实时性、耦合小和安全可靠等特点。虽然技术指标要求高,但项目组是有所准备的。在研究所所长韩俊伟教授的带领下,项目组2004年开始着手这个项目,并进行了一系列的前期技术攻关、预研和理论准备,为2006年开始的项目设计评审打下了良好基础。面对困难,项目组成员集思广益、刻苦攻关,先后进行了几百次地面试验。他们对机械和控制等各个方面进行逐一分解,走过了仿真实验、加工测量、部件测试等一道道工序。为了保障进度,项目组每个月都要汇报进展情况。2008年5月开始的一年间,黄其涛等项目组成员更是长驻上海805所。

 

  

电液伺服仿真及试验系统研究所科研人员在工作中(冯健 摄)

 

   通过不断努力,项目组解决了对接六自由度运动模拟器超大工作空间、高精度、高响应和低速稳定等挑战性技术难题。试验的结果表明,对接机构综合试验台运动模拟器系统运行稳定可靠,位姿精确度高,重复性好,各项功能及性能指标完全达到研制任务书的要求。

  该项目的成功研制,实现了载人航天空间动态对接过程地面模拟试验最重要的技术保障,为对接机构的研制、实验和鉴定奠定了基础。六自由度运动模拟器挑战性技术难题的顺利解决,也使我国独立自主地掌握了世界顶尖六自由度运动模拟器的高度集成制造技术,在这一领域走在世界前列。 

空间对接机构恢复性能测试台:上天前的健康检测

  对接机构从出厂到不同地点作模拟试验,要在厂房、基地之间装卸、运输,对于高精度的模拟试验而言,任何微小的型位变化都可能影响对接机构的性能出现变化,从而导致模拟试验失败。为此,我校机器人研究所和上海805所合作,成功研制了空间对接机构恢复性能测试台。这项技术的精彩之处是把复杂测试化为简单的方法来做测试,识别对接机构的运动和力学性能,确定其性能是否有变化以及是否符合综合要求。对接机构从出厂到北京合练,再到酒泉基地发射,都需要空间对接机构恢复性能测试台反复进行测试。

  我校科研团队在试验台的方案设计阶段提出模块化设计思路:研制出的测试台软件使操作简易、灵便,使各地技术员都能够迅速掌握;人机界面上采用基于操作向导的人性化设计,每一步都有明确指示,简便易懂,保障了对接机构的安全性。项目组已交付的3台恢复性能测试工装,为对接机构各个阶段的恢复性能提供了测试保障手段。

整机特性测试台:“牵手”机械结构的精度“标尺”

  在攻克动态模拟试验和测试之前,我校机器人研究所曾在2000年与上海航天八院合作,开始了对神舟飞船的单元部件的测试工作,并于次年着手研制整机特性测试台。这个高5米多,具有6个自由度的测试台主要测试对接机构装配静态力学性能,功能目标是做对接机构的整体力学和精度测试。这是我国研制的第一台对接机构整机测试大型专用设备。整机特性测试台于2003年底交付使用,至今已经成功进行了上千次测试工作。 

对接机构总装、总调关键测量装置:对接机构量产的“催化剂”

  如果对接机构的安装调试还是以人工操作为主,装配和调试效率较低,通常调试一台对接机构需要几个月时间。这将影响到实验的进度要求,于是我校机器人研究所和上海航天八院开始合作研制对接机构总装、总调关键测量装置。

  该调试台就像监视器一样,在清晰观察画面中的人和物体的同时,可以及时发现装配、调试过程是否出现问题。该项目实现了装调过程中对对接机构姿态的随动跟踪和实时测量,突破对接环姿态一致性和锁系同步性的要求,大幅度提升对接机构总装总调效率、装调和质量稳定性。这一关键项目的成功实现了对接机构在装调过程中信息的自动采集、测量分析、结果描述,同时作出及时快速的调整。这样不仅实现了安装、调试的自动化操作,减少了人为因素和经验依赖性,还保证了对接机构性能保障的一致性,实现对接机构的量产。据悉,该项目已基本完成,并将于2011年年底进行验收。

  据机器人研究所朱延河副教授介绍,经过多年的努力,项目组已具规模,团队中包含了10余名青年骨干教师。在赵杰教授带领下,项目组团结协作、刻苦攻关,解决了在技术、管理和工艺等方面遇到的一系列难题。机器人研究所项目团队刻苦攻关、不怕辛苦的精神,也在航天八院上下留下了良好的口碑。

 

何何世教授(右二)与科研团队在一起(冯健 摄)

 

对接锁系及钢丝绳锁紧力松弛规律与寿命试验:保障飞船安全性

  太空“牵手”实际上是通过两个飞行器上对接机构中对接锁系及同步传力钢丝绳的相互作用,使两个飞行器间产生连接力,压紧对接框面上的密封材料,实现两个飞行器间的刚性连接和密封。由于对接锁系及钢丝绳锁紧力较大,在太空环境中温度剧烈变化的作用下,会发生缓慢的蠕变与应力松弛。若锁紧力松弛到某一临界值就可能导致飞行器的气密性下降,进而威胁航天员的生命。因此,必须研究这种对接锁系及钢丝绳应力松弛的规律,以确保飞船的服役寿命和安全可靠性。

  这项试验研究由我校空间环境材料行为及评价技术国家级重点实验室何世禹教授牵头承担。科研团队系统研究了不同恒定温度及交变温度场环境作用下,对接锁系及钢丝绳锁紧力松弛规律,获得了应力松弛导致气密性下降而失效的寿命预测模型,为长寿命飞行器试验评价提供了有效的技术途径。研究成果成功应用于对接机构的制造工艺改进。

 

康为民教授(左二)与科研团队在一起(冯健 摄)

 

载人运输飞船训练模拟器视景显示系统:把太空环境“搬”到地面

  载人飞船进入太空飞行前,驾驶飞船的航天员需要熟练掌握飞船的技能,从安全和经济方面考虑,通常在地面环境下采用模拟手段训练航天员。因此航天飞行训练模拟器就是训练航天员驾驶飞船的重要地面设备之一,而训练模拟视景显示技术则是飞船训练模拟器中的关键技术之一。由我校承担的载人运输飞船训练模拟器视景显示系统的模拟飞行效果达到了国内领先、国际先进水平。

  过去我国航天飞行训练模拟器为美国进口设备,在使用过程中,航天员反映,其视景显示系统模拟亮度低,图像存在一定的畸变,与真实情况差异比较大,无法模拟出逼真的效果。2009年,光学目标仿真与测试技术研究所所长康为民教授带领其团队成员张学如、李斌、张全等承担了“载人运输飞船训练模拟器视景显示系统”项目。研究团队刻苦攻关,努力解决了模拟亮度低、图像畸变等难题,采用反射式无限远视景生成机理及像差修复技术,成功研制出训练模拟器视景显示系统。该系统具有图像清晰、纵深感强、成像距离远等优点,是一种高性能的非瞳孔形式的光学显示系统。通过该视景显示系统成像装置,能够反射生成无限远的地球纹理图像,供航天员观察到无限远距离的均匀、清晰、高亮度的地球纹理图像,用于航天员模拟飞行训练。该系统于2010年初正式交付用户。在交付使用过程中,我校还帮助顾客方解决了系统产生光路干扰(鬼像)的问题。

 

空间生命科学与航天医学研究:为航天员健康提供防护

  深空飞行和载人行星际探测过程中面临的复杂空间环境存在多种极端因素,尤其是失重和粒子辐射对空间生命体可导致严重的机能紊乱或不可逆损伤,成为限制深空探索的主要原因,同时也制约着空间防护技术的发展以及有效防护措施的建立。为抢占空间资源和相关研究的制高点,增强综合国力,建立和发展针对航天员工有效保障和健康防护的策略是空间生命科学亟待解决的问题之一。空间生命科学与航天医学研究是我校的一个特色研究方向,在该方面研究深入。

 

李钰教授(右一)与课题组在一起(冯健 摄)

 

  从目前研究空间环境对空间飞行航天员健康影响的结果表明,空间飞行过程中心肌细胞功能紊乱的风险性极高。我校生命科学与生物技术学院院长李钰教授介绍,通过建立与在体心肌组织生物学性能和生理状态近似的、适用于空间生命科学和空间环境评价的三维细胞培养体系,对模拟辐射及复合模拟微重力效应开展相关研究,探讨了细胞结构改变以及细胞生化代谢变化的分子机制。研究发现,心肌细胞在对模拟空间环境条件的响应性变化中较早出现氧化应激性改变,细胞的氧化应激性响应可能是细胞失重与辐射损伤的细胞学基础。此外,在模拟辐照复合微重力效应下,细胞损伤修复分子表达、细胞染色体结构以及有丝分裂指数等都发生了改变,整合了已有研究结果。课题组建立了敏感的空间环境快速响应生物剂量分子检测技术,为开展深空飞行中航天员的健康和医学保障提供有效的生存安全数据,并且进一步探讨和评价了抗氧化剂等药物对模拟辐照和模拟失重环境下的心肌细胞的防护作用,为向航天员健康防护提供有针对性的防护药物奠定了基础。