天舟对话 航天员设备全靠兰州造

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    天舟对话 航天员设备全靠兰州造

    510所将我国航天器显示系统带入“WINDOWS时代”

　　510所天舟一号相关产品联试现场

　　联试现场

　　宇航机电产品——货用船综合显示单元

　　4月20日，我国自主研制的首艘货运飞船天舟一号，追随7个月前中秋月圆之夜飞向苍穹的“兄弟”——天宫二号空间实验室，借力海南文昌发射场升空的长征七号遥二运载火箭，飞向浩渺长空。天舟此行为我国空间实验室任务的“收官”之战，将与天宫三牵其手、交会对接，验证被称之为“太空加油”的推进剂在轨补加和补给物资等关键技术，为我国2020年建成空间站搭桥铺路。在天舟一号任务中，兰州空间技术物理研究所（航天510所）承担了涉及仪表照明、热控、结构与机构等3个分系统的30多台（套）产品，包括综合显示单元、语音单元和交会灯、舱内照明设备等重点单机。其中，综合显示单元是天舟中唯一的交互仪表，510所在此项任务中而全新研制的人性化图形用户界面和红外触摸屏为我国载人航天任务中的首次应用。这些设备对天舟一号货运飞船在轨运行中的综合状态监控、显示，与天宫二号空间实验室在交会对接过程中将起到至关重要的作用。

　 　天舟一号已达世界先进水平

　　510所党委书记、载人三期领域总指挥李毅军激动地说，“货运系统是中国建成空间站必须突破和掌握的关键技术，天舟一号使中国具备向在轨运行航天器补给物资、补加推进剂的能力。这一能力，是确保未来中国空间站在轨长期载人飞行的基本前提。”

　　天舟一号为全密封货运飞船，采用两舱构型，由3.35米直径的货物舱和2.8米直径的推进舱组成。其全长10.6米，太阳帆板翼展14.9米，起飞质量13吨，最大上行货物运载量约6.5吨，推进剂补加能力2吨，具备独立飞行3个月的能力。据李毅军介绍，天舟一号基于神舟飞船和天宫一号的技术研发，无论是直径、质量还是运载能力，天舟一号都已达到世界先进水平。“此前，世界上有5种货运飞船。美占其二，日、欧各一种，世界上发射最多货运飞船的是前苏联和今天的俄罗斯，其进步号系列已发射80余艘。”李毅军说，天舟一号货运飞船的近地轨道上行运载能力高于俄联邦航天局研制的进步号M型(2.5吨)以及日本宇宙航空研究开发机构的H-II运载飞船(6吨)，低于“欧空局”的自动运载飞船(7.6吨)。下行运载能力约为6吨左右。天舟一号货运飞船的载荷比高达48%，高于日欧的货运飞船。

　　“最露脸”的设备还是510所研制

　　“510所在天舟一号任务中承担的大量科研、生产任务，均由510所宇航机电产品事业部研制，关键产品有综合显示单元、与天宫的三次交会对接舱内外照明等。”李毅军告诉记者，在“神舟”系列载人飞船返回舱内，所有宇航员面前的显示仪表和可操作的界面均为510所研制，被称为飞船上“最露脸”的设备。这类仪表显示设备安装在飞船前端，航天员座椅前方的仪表板上，共7台设备全部为510所研制，用于监控、显示飞船的轨道高度、俯仰角度、飞船速度等状态，可以进行飞船姿态调节，与地面中心进行通信等功能。另外两台设备为航天员手控操作设备，发射时安装在座椅下方，到达预定轨道后，航天员取下进行手控操作，主要进行轨道舱和返回舱的分离，并在返回过程中进行降落伞打开等操作。“在与天宫交会对接后，宇航员进入天舟，仍然需要照明、操作界面和各类显示仪表，这些也都是510所研制的产品。为保证载人航天的高可靠性，这部分均采用了较为成熟的技术。”

　　 综合显示单元：天舟的“动态体检表”

　　按照未来计划，无人值守的天舟在与空间站对接后，必须保证自身各项生保系统参数符合要求，航天员方可进入其中。天舟中的综合显示单元，起到在航天员进入后全天候监控生保参数，提供预警、报警功能，确保航天员的安全。510所研制的综合显示单元就是天舟的“动态体检表”，为完成载人航天货运任务起着至关重要的作用。作为终端显示仪表，天舟综合显示单元在货运飞船和未来空间站中承担着重要参数的显示、语音通报报警信号的生成、告警灯驱动、图像显示、手控编码指令编辑发送等任务。它可以接收、处理并回传货运飞船重要的显示数据、指令、状态；以文字、图标等形式进行参数和事件显示；多页面显示、切换；参数越界报警、音频输出、灯光报警等，同时具备按键操作和触摸屏功能。

　　在未来建成的空间站中，货运飞船仍将承担货物运输的重要职责。综合显示单元作为货运飞船唯一的交互仪表，也是对标空间站的设备，可为空间站运行、航天员安全保驾护航。

　　a.我国航天器显示系统跃升至“WINDOWS时代”

　　李毅军说，新技术的应用同样在航天领域层出不穷。比如，在510所综合显示单元单机任务中，研发的人性化图形用户界面（简称GUI系统）就是基于新的硬件设备为天舟一号“量身定制”的。“大家的手机屏上都有这种触摸式的图形交互界面、按键，可能并不感觉到新奇。”李毅军介绍说，我国以往不论是“神舟”系列飞船，还是天宫一号、天宫二号，仪表显示系统都是类似“DOS界面”的字符显示为主。而与神舟、天宫等载人航天器相比，天舟一号增加的不只是载重量，各系统的复杂度也成倍增加，需监控的参数类型和数量成几何级数增长，“DOS界面”及按键式的人机交互方式已远远不能满足货运飞船复杂页面的切换及操作要求，向图形化显示为主的“WINDOWS时代”迈进已是迫在眉睫。

　　为此，510所天舟综合显示单元软件主管设计师夏加高设计了符合航天规范的具有自主知识产权的GUI系统，就是为“WINDOWS界面”提供技术支撑的软件中间件，是复杂人机界面的基础，代码量仅为WINDOWS操作系统的1%，不会出现死机和“蓝屏”，是航天器显示系统实现“WINDOWS时代”的软件基础。“过去只能显示十几个页面，图形交互技术应用后能显示几百个页面，这个跨越背后，代表了软硬件系统质的飞跃！”李毅军说，人性化的图形用户界面是我国载人航天任务中的首次应用。

　　b.红外触摸屏载人航天首次应用

　　“宇航员进入天舟之后的操作，是通过天舟综合显示单元的红外触摸屏来完成操作的。”李毅军说，红外触摸屏是为天舟全新研制的一款产品，是载人航天中首次应用。同时，为了便于航天员操作，天舟上的液晶屏由以往的6.5吋改进为12.1吋，显示内容更丰富、显示界面更好。

　　为什么选用了红外触摸屏，而不是地面上较常用的电容屏和电阻屏呢？510所天舟综合显示单元主管设计师曾政菻表示，电容屏、电阻屏在空间中的环境适应性较差。另外，宇航员操作时，有时要穿着宇航服、戴着手套，在这样的情况下，电容屏和电阻屏不响应。红外触摸屏是通过光的遮挡来实现类似“WINDOWS界面”的触摸操作，有如鼠标划过时的准确坐标，是根据红外光线接收强弱来得出屏幕触摸坐标，这一技术的采用大大减轻了航天员的操作负担。天舟一号综合显示单元红外触摸屏的应用为航天员操作仪表设备提供了便利，为未来我国空间站和其他载人航天器的人机交互产品设计打下了良好的基础。

　　交会对接灯部分故障仍能照明

　　510所宇航机电产品事业部杨军、金锋和妥安平三人主要承担天舟一号的照明任务研制，包括4台舱内照明灯，1台交会对接灯和1台告警灯。飞船在浩瀚的宇宙中遨游，会周期性地经过地球阴影区，此时会经历很长时间的黑暗，影响在轨任务的顺利完成。飞船舱内外照明设备和交会对接照明设备是不可或缺的，这些照明设备都使用了LED固态照明光源。主管设计师杨军说，有了舱内照明设备和交会对接照明设备，飞船即使进入地球阴影区，航天员在舱内仍然可以正确判读仪表，手动操作各种开关，天舟与天宫的快速自主交会对接也能多一份成功的保障。与上次神舟十一号上的交会对接灯相比，天舟上的交会对接灯重量更轻、体积更小，而且在灯的一部分出现故障时，仍能正常照明。载人飞船、货运飞船和空间站的照明今后基本由510所承担。

　 　已承担多项空间站研制任务

　　谈及未来510所在载人航天领域的发展，李毅军说，以“新”、“质”、“快”三个字概括，并谈到了多项由510所承担的空间站配套研制任务。比如，空间站复杂产品载荷的标准接口适配器是由510所承担研制的。而未来空间站外会有进行各种操作的机械臂，舱内的机械臂操控台由510所完成研制。空间站不同于以往，它是长期在轨有人照料的，会有大量舱外活动，交会对接时，如果两个飞行器电位不同就会产生电位差而放电、打火，为避免出现这一状况，空间站上的主动电位控制系统由510所承担研制任务。舱外活动的照明，需要向各个方向做俯仰、编航方位调整等，这就要用到510所研制的云台投光装置。

　　兰州空间技术物理研究所（航天510所）供图

    （记者　何燕）