解读神九与天宫中的“哈工大技术”

时间:2019-10-15 15:13       来源: 长沙超特焊接器材有限公司

  神九发射在即,天宫再迎访客。昨天,哈尔滨工业大学科学与工业技术研究院副院长付强教授详细解读了神九会天宫中的哈工大技术。

  从神一到神九,哈工大先后有50余项科研项目参与其中,500余名教师和技术人员参与研发与研制,攻克了多项技术难题。据付强教授介绍,在神九与天宫一号对接中,有十项哈工大尖端技术鼎力支持。

  载人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。由哈工大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,与真实情况差异较大,无法模拟出逼真效果。2009年,哈工大光学目标仿真与测试技术研究所承担了某载人运输飞船训练模拟器视景显示系统项目。研究团队经过半年多时间的刻苦攻关,通过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。

  根据仿真计算机视景软件生成的地球纹理图像,通过哈工大研制的视景显示系统成像装置,反射生成无限远的地球纹理图像,可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。

  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。针对航天员的健康防护,哈工大在空间生命科学与航天医学研究方面进行了深入研究。

  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。哈工大生命科学与工程系课题组通过建立相关模型,对模拟辐射及复合模拟微重力效应开展相关研究。根据研究结果,课题组建立了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了有效的生存安全数据,并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。

  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,飞行器以每秒约7.9千米的高速飞行,高真空、微重力,会出现许多在地面上难以想象的问题,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,哈工大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,在专用操作室采用三维虚拟环境下的遥操作技术。

  九自由度运动模拟系统:精准定位牵手位置

  牵手的正式说法应该是飞船与目标飞行器的交会对接。哈工大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。

  哈工大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交会对接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交会对接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个部分都要实现三个维度的控制,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。

  CCD光学成像敏感器:精确导航交会对接

  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。由哈工大图像信息技术及工程研究所与中国航天科技集团五院502所合作研制的交会CCD光学成像敏感器在交会对接的最后逼近段担任着重要角色。哈工大还因该项目成为参与载人航天二期工程交会对接项目研制的唯一高校。

  据哈工大图像信息技术及工程研究所李金宗教授介绍,交会对接CCD标识与定位系统可以在目标飞行器(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。

  对接机构综合试验台运动模拟器:模拟真实牵手

  参与项目攻关的有关负责人介绍说,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,任何微小的变化都可能影响对接机构性能出现变化,从而导致模拟试验失败。为此,哈工大机器人研究所和上海805所成功合作研制了空间对接机构恢复性能测试台。

  整机特性测试台:对接机构精度测试

  在攻克动态模拟试验和测试之前,哈工大机器人研究所曾在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。高5米多、具有六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。

  对接机构总装、总调关键测量装置:对接机构稳准调试

  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,这将影响到项目的进度要求。哈工大机器人研究所和上海航天八院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时跟踪和实时测量,大幅度提升对接机构总装总调效率、装调和质量稳定性。

  锁紧力松弛规律与寿命试验:飞行器寿命生命锁

  由哈工大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。该成果应用于天宫一号的制造工艺改进。

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