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我是你的眼,帶你看中國空間站玩“自拍”

來源:八院 日期:2023-08-03

720日,神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮密切協同,圓滿完成了天和核心艙全景相機B在軌支架安裝及抬升、夢天實驗艙全景相機AB解鎖及抬升等全部既定任務,安全返回空間站問天實驗艙,出艙活動取得圓滿成功。其中的全景相機及夢天實驗艙的抬升機構均由八院研制。

或許你會問,為什么要抬升全景相機、直接固定不是更好嗎?因為在發射階段,受到運載火箭嚴苛的力學環境以及整流罩的包絡限制,只能先給全景相機安排一個小矮凳讓其就位,等入軌后再擇機靠航天員出艙給全景相機安裝一個自拍桿,使其具備更佳的視場,可更好地監測空間站艙外的運行狀態。下面就是全景相機抬升后看到的中國空間站與地球同框的精彩畫面。

夢天實驗艙研制最高效的產品

202111月,八院805所夢天實驗艙研制團隊啟動了全景相機抬升機構的研制工作,僅僅在半年后,就完成了產品設計生產、一系列試驗和工效學評價,交付了第一套正樣產品,可謂是夢天實驗艙研制工作中設計迭代最高效的一款產品

此次抬升的夢天實驗艙全景相機,安裝在夢天實驗艙的艙壁上,主要用于觀察空間站的艙外設備、機械臂的運動情況以及航天員的出艙活動等,是空間站的另一雙慧眼。俗話說高處不勝寒,全景相機的抬升并非越高越好,高度過高會對艙體上其他有視野要求的載荷,以及對機械臂的爬行路徑帶來一定影響。因此,在研制之初,全景相機的抬升高度成為總體設計的難點。團隊設計迭代了多種方案,并通過數輪的地面仿真和試驗驗證,最終確定了兩臺全景相機的抬升高度,既可以滿足全景相機的視野需求,又確保了艙體上其他載荷的視線不被遮擋

為簡化航天員在軌操作流程,研制團隊對夢天實驗艙全景相機抬升方案進行了優化設計,基座中自帶抬升機構。在八院空間站項目辦的組織下,夢天總體和空間結構與機構事業部聯合攻關,在短時間開展多方案的對比論證,最終確定了多重導向、錐銷斜面鎖緊的抬升機構方案,機構設計簡單巧妙、抬升操作便捷省力,航天員只要輕松一拉,抬升機構即可輕易實現抬升并鎖定,抬升過程流暢絲滑,鎖定后可靠平穩,讓全景相機獲得更加廣闊視野的同時,還極大地減少了航天員的在軌操作流程,提升了航天員的出艙工作效率

2022年初試驗隊進駐天津開展整艙AIT工作,面對天津、上海嚴重的疫情,為將研制計劃影響降到最小,項目辦組織天津和上海協同開展研制工作,總體機、電、熱各專業人員在天津集同設計,確定抬升方案,抬升機構研制團隊在上海如火如荼地開展設計、生產研制工作,克服型號研制及疫情帶來的各種困難,用行動詮釋了載人航天精神。

得更高,得更全

研制全景相機抬升機構是149廠疫情期間接到的緊急任務,回想起產品的研制歷程,各種攻堅與不易依然歷歷在目,團隊成員通過120余天驗證摸索、有序銜接、攻堅克難,交付6產品,順利完成了全景相機的抬升,讓全景相機實現得更高,得更全。

抬升機構是由一系列同心圓環相互嵌套組成,類似于不同粗細的收縮套筒由內而外拼裝而成,展開到位時各套筒之間環環相扣。在產品研制之初,為了保證相鄰兩級套筒展收順暢無卡滯,同時展開到位高可靠鎖定,研制團隊進行了不同配合間隙的大量展收驗證試驗,積累了上千個測試數據。

研制團隊通過數據對比分析,對零件配合尺寸進行了優化并對測試方法進行了改進,最終確定了最優的配合狀態和最精確的測試方法,保證展收過程順暢,到位鎖定高可靠。同時,通過對手動抬升進行大量的摸索試驗,最終確定了機構抬升的主要操作流程及注意事項,為后續抬升機構的工效學評價以及航天員的在軌操作提供了寶貴的經驗。

為了在4個月內完成6套全景相機抬升機構產品的裝配、測試及試驗任務,工藝員與設計師密切配合,對零件的加工精度、表面處理及工效學評價等方面進行反復溝通迭代,為技術狀態受控保駕護航。同時,制定詳細的零件生產日計劃,多方配合全程優先力保抬升機構產品的研制,一路綠燈有序銜接保證各套產品零件滾動式生產并交付總裝。

然而,去年3月初,正值抬升機構正樣件產品研制的緊要關頭,上海疫情突然爆發。研制團隊堅守崗位,克服各種困難,與時間賽跑,進行產品裝配、數據的測量及測試工作。設計師無法到場,研制人員就通過電話、視頻一遍遍去詳細確認產品的裝配過程及細節、數據測量及產品測試的方法。如今,隨著航天員的手動抬升,機構各套筒之間環環相扣,完美鎖定,實現了全景相機的順利抬升,抬升機構完成了使命。

360°全景視場實時成像

空間站三艙全景相機均由804所研制,具備360°全景視場實時成像功能,實現多路圖像實時拼接融合,同時具備視頻輸出和照片輸出功能,滿足水平180°視場的高清視頻輸出,以及水平360°、垂直100°視場的全景照片輸出需求

為了便于航天員拆裝和抬升全景相機,研制團隊開發了一款太空專用把手,既可保護全景相機在搬運過程中鏡頭免受碰擦,又可使航天員在艙外能夠輕松完成全景相機的抬升。該把手經過了嚴格的航天員系統工效學評價,既方便隨身攜帶,又便于艙外操作。全景相機結構設計師王愛國說道。此外,配套設計的防飄組件保證全景相機在抬升作業過程中把手或全景相機本體不會因為失重而飄走,能夠穩穩地固定在安裝面上。

作為地面工作人員的眼睛,全景相機的360°全景監視能在必要時刻為航天員贏得一線生機,為航天員出艙活動保駕護航。我們設計了一種自動曝光算法,可以適應不同場景的光線明顯變化。全景相機主任設計師徐起說道。為了確保在空間不均勻光照條件下,將多路不同角度的圖像進行可靠無縫拼接融合,徐起帶領研制團隊展開了算法優化和小型化、輕量化設計和各項試驗驗證工作。

圖像的測試主要是模擬各種光照模式和場景,他們在圖像暗室,經常一待就是好幾天,試驗做完總有種不知有漢,無論魏晉的感覺。通過對各種測試工況的比對分析,對核心的圖像拼接融合算法、一致性算法進行了多輪優化和迭代,最終設計出了重量輕、功耗小的全景相機,使全景相機無需機械轉動機構,在實現360°無死角的監控前提下,大大提高了產品的可靠性。研制團隊還完成了大視場魚眼鏡頭的優化及精準標定設計,大大提高了全景成像關鍵的標定效率和精密度,同時通過結構設計及優化,使得全景相機在各類力學試驗后能夠保證極小的像素位移,全景圖像依舊能完美融合拼接。

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