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我校多项技术助力天宫一号

发布时间:2019-10-27 21:02:13

      哈工大报讯(刘忠奎 耿文 刘培香 韩放/文 冯健 兰锐/图)天宫一号发射成功,举国欢庆。我校多个科研团队刻苦攻关,技术成果助力天宫一号。

      CCD光学成像敏感器:为天宫一号实现交会对接精确导航

      交会对接的最后逼近段对天宫一号与后续发射的神舟八号、神舟九号和神舟十号等完成空间交会对接任务起着至关重要的作用,如果在最后逼近段出现任何问题都将影响交会对接的最后完成。而交会对接CCD标识与定位系统(即CCD光学成像系统)在交会对接的最后逼近段担任着重要的角色,它可以在目标飞船(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。
      交会对接CCD标识与定位系统由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所合作研制,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,并从有利于反阳光及其他杂散光干扰的角度出发,选定了近红外工作波段。目标标志器为关键重要项目,分为远场标志器与近场标志器,均装配在目标飞船天宫一号实验舱前锥段的对接口附近舱体外表面上,向跟踪飞船神舟八号等舱外的CCD成像系统提供目标飞船对接口的三维相对位姿信息,不允许它出现意外故障。相机滤光片装配在跟踪飞船神舟八号等对接口附近舱外的远、近场CCD摄像机光学镜头的前端,其特点是通带很窄,且在空间环境变化范围内能实现与标志器的光波信息的最佳适配,滤除非标志光源波段之外的阳光及其他杂散光的干扰,对该系统完成标志的准确识别和位姿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。为了赶进度与项目需要,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。
      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。如发光器件选用了近红外发光二极管,容易消除阳光及其他杂散光的干扰,并且使目标标志器具有体积小、重量轻、功耗少、作用范围大、稳定性高、可靠性强和使用寿命长(大于10年)等优点;首开国内外先河,将高均匀性光学纤维面板(光纤面板)用于航天设备,并在光纤面板结构成分中,减少原有的吸收材料和适当增加抗辐照材料,提高了所传输光波的均匀性和强度,使其可以适应空间辐照环境;采取了耐辐照加固设计,保护内部发光器件和光纤面板免受强辐射影响,并且保证了内部发光器件局部空间适当的温度变化范围;经过特殊设计,使目标标志器辐射光束均匀、平滑和对称,实现各个纵剖面的一致性,还使远场标志器的辐射光束实现很高的集中性。同时,在滤光片的研制过程中,项目组成员也进行了创新,采用光学膜层厚度控制的新镀膜工艺,提高膜层的填充密度、膜层的稳定性和可靠性,减小膜层的应力,解决了滤光片的研制在均匀性、稳定性和可靠性等方面存在的一系列困难。
      CCD光学成像敏感器还将应用于神舟八号 、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。


李金宗教授(左二)与他的科研团队在一起。(兰锐摄)

      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

      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的对接锁系及钢丝绳锁紧力松弛规律与寿命试验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。该成果应用于对接机构的制造工艺改进。
    “空间交会对接”是建立空间站最基本、最关键的技术,其原理是通过轨道参数的协调,让两个或两个以上的航天器在同一时间到达太空同一位置,然后再通过专门的对接机构将其连为一个整体。交会对接的成功无疑是达成战略目标的关键,这是举世公认的航天技术瓶颈。对接机构是载人航天的关键技术,也是飞行器应用能力扩展的一个重要手段,其作用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,在空间交变温度场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性下降,从而威胁航天员的生命。因此,空间环境材料行为及评价技术国家级重点实验室开展的钢丝绳和对接锁系应力松弛规律研究对飞船的服役寿命和安全可靠性具有重要的意义。
      我校空间环境材料行为评价技术国家级实验室创建于2000年2月27日,是根据我国航天事业发展的要求所建立的,主要从事空间环境与材料交互作用的基础研究。该实验室主要任务是提供航天器用材料及元器件在轨服役期间可靠性评价及寿命评估所需解决的基础理论及相关技术,研究新型空间材料及防护技术,培养高层次人才,主要研究方向包括:空间环境与材料交互作用基础理论;空间环境效应模拟等效性判据、加速试验原理、损伤理论、性能演化理论、在轨寿命预测理论及防护理论;空间材料效应评价关键技术;航天器用新材料及防护技术;低温、真空及辐照技术在国民经济中的应用。


何世禹教授(右二)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:把无限远的太空环境“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。由我校承担的某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,我校光学目标仿真与测试技术研究所所长康为民带领其团队张学如、李斌、张全等承担了“某载人运输飞船训练模拟器视景显示系统”项目。该项目是航天飞行训练模拟器的重要环节,即航天员飞行训练观察的视景显示成像部分。研究团队致力于研制新的视景显示成像系统,用来替代原有的CRT显示器(美国进口的模拟器器件),并超出技术指标要求。
      研究团队经过半年多时间的刻苦攻关,努力解决模拟亮度低、图像畸变等难题。团队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。经我校改造后,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。
      据目标仿真与测试技术研究所项目合作部副部长李斌、光学设计室副主任张全介绍,视景显示系统研制项目中的成像装置主要由投影仪、调整机构、反光镜、背投屏组成,结合原装置的准直光学系统(包括球面准直镜和分光镜)共同组成视景显示系统。根据仿真计算机视景软件生成地球纹理图像,通过我校研制的视景显示系统成像装置,经过准直光学系统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。
      我校光学目标仿真与测试技术研究所成立于1997年,主要研究领域包括光学目标仿真、光学成像制导、光学测试技术及光电系统集成技术,根据国家需求开展基础科研、应用技术研究、工程应用与开发,近年来承担国家重大专项3项、国家重大工程项目4项,拥有多项国内外先进的核心技术,是航天、航空多家院所、中航科技集团公司、中国精密进出口公司等多家企业的合格供方。


康为民教授(左二)与科研团队在一起(冯健摄)

      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。
      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。我校生命科学与工程系李钰教授所带领的课题组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,为航天员健康防护提供针对性的防护药物奠定了基础。


李钰教授(右一)与课题组在一起(冯健摄)