載人太空飛行器儀表與照明分系統

載人太空飛行器儀表與照明分系統由儀表與照明設備兩部分組成。其中，儀表用於顯示飛船各分系統的工作參數、乘員生理數據和有效載荷的工作狀態。此外，儀表還顯示各種指令、飛行計畫以及乘員執行命令的結果。乘員也能通過儀錶板上的按鈕進行操作。它可以採用多功能顯示器、數碼顯示器、報警指示器和控制鍵盤等組成。

照明設備為乘員提供工作和生活場所的照明。它可採用螢光燈或自熾燈等。儀錶板照明應亮度可調，並採用白色、綠色、黃色和紅色等不同顏色，以區別顯示參數的性質和重要程度。

飛船上的儀表是航天員了解飛船飛行和飛船上設備狀態的“眼睛”，是重要的人機界面。飛船上所有要讓航天員了解的狀態和參數等，由數據管理分系統採集並通過數據匯流排傳至儀表分系統，儀表計算機對接收的數據做解算處理後，分發到不同的顯示設備上。飛船上主要的顯示設備是2台多功能顯示器，它們承擔著全部顯示任務。為了適應空間環境，飛船上使用了液晶顯示器．這種液晶顯示器在我國太空飛行器上是第一次使用。在顯示器上，航天員可以按照不同的時序看到以數值、文字、圖示、圖形、曲線和指示燈等方式顯示的飛船飛行數據、船上各系統工作狀態和在飛行中航天員所有要了解的其他信息。

基本介紹

• 中文名：載人太空飛行器儀表與照明系統
• 外文名：Manned spacecraft instrumentation and lighting systems

載人太空飛行器中儀表

太空梭返回、進場、著陸時，大約在高度為120km便開始進入大氣層，該處離著陸場將近8154km。這時太空梭的飛行速度將近7620m/s，要在大氣層中飛行8154km的航程。在這個飛行階段駕駛員需要許多大氣數據。所以太空梭上裝有4套大氣數據子系統。這裡介紹大氣數據系統的幾個主要儀表與感測器。

空速管

空速管安裝在機頭或翼尖的前方未被擾動的氣流場內。總壓口在空速管的前端，口內的氣流速度近似為零．其壓力為總壓(即全阻滯壓力)，並連至總壓管輸出總壓。空速管的頭部為流線形，離管端8倍於空速管直徑處的壓力近似大氣靜壓，在此處開設10個靜壓孔，靜壓孑L都連通靜壓管，輸出靜壓。應急總壓管較短，無靜壓孔，只有前端的總壓孔。太空梭上將總壓管和總溫感測器裝在一起，成為組合感測探頭，機頭左右側各裝一個組合感測探頭。在起飛入軌至軌道飛行時，探頭均收在機身內。再人大氣層時，組合感測探頭從機身內彈出。靜壓孔設在機身兩側氣流較平穩處。

氣壓式高度表

在重力場內，大氣的壓力、大氣密度均隨高度增高而減小，有規律可循。於是，可以通過測量大氣壓力或大氣密度來間接測量飛行高度。通過測量大氣壓力來測量飛行高度的儀表稱為氣壓式高度表，它是目前航空儀表中廣泛套用的飛行高度表。太空梭上有兩種氣壓式高度表：一種為圓盤指針式的，另一種是豎直刻度式的。表殼內接至空速管的靜壓管，表殼內為大氣靜壓。感壓元件是真空膜盒，當高度升高時，大氣靜壓減小，真空膜盒膨脹，經過傳動放大機構帶動指針轉動，經過校準後，指針在刻度盤上的讀數便是氣壓高度。

照明系統

軌道太空飛行器在軌道上時晝夜間隔時間為90分鐘，因此需要採用各種自然和人造照明將軌道太空飛行器的內部和外部照亮。內部要為顯示和控制裝置以及太空人設備提供照明；外部則要為貨艙門的操作、艙外活動、遙控機械臂系統操作以及位置保持和對接提供照明。太空人艙控制的泛光燈由類似汞蒸氣燈的金屬鹵化物燈組成。太空人艙內的照明分為三類：控制臺照明，幫助太空人看清命令和顯示器；儀表照明，在儀表面板後部的白熾燈，方便閱讀顯示數據；數字照明，飛行甲板數字顯示裝置上的六個指示器，用來顯示數據。

螢光照明系統

經過調研、分析當時可用的各類照明技術和設施，包括航空照明、軍用照明等，結合太空飛行器能源供給能力，最終設計使用了螢光照明系統，解決了該類照明的高壓啟動、電磁干擾、防眩光及空間環境適應等難點，並通過大量的地面測試、試驗驗證，實現了飛行器內照明。此階段後期，根據出艙活動需求，經過調研論證及當時技術情況，在國內、外首次設計採用LED照明作為飛行器外空間環境下的航天員出艙活動照明，能滿足短時間、高可靠等出艙活動要求。

LED照明系統

在一期飛行器外空間照明技術驗證的基礎上，二期分系統飛行器內照明也採用LED照明技術，增加電源變換、環境照明、開關控制和亮度調節等功能，並經過設計和驗證，滿足(空間飛行)長壽命、高可靠的需求。

根據飛行器內各任務、休息區域的照度需求，綜合考慮燈體的器件數量、分布情況、恆流源設計的要求及發光二極體的失效模式，將發光二極體進行串聯、並聯以及冗餘備份設計。單燈使用多顆LED發光二極體器件作為發光光源，將多顆光源獨立分組，每組光源採用串聯加並聯的連線方式，且兩組可互為備份，並分別由對應的兩組相互獨立的恆流電源進行恆流供電和亮度控制。

一期使用的螢光光源能耗高、可靠性低、啟動電壓高且壽命短。在二期工程中，由於在軌工作時間的增長以及能源系統的限制，儀表與照明分系統在一期飛行器外空間LED照明技術基礎上，經過調研分析及地面驗證，最終使用了具有壽命長、體積小、效率高、抗震性能佳、回響速率快、驅動電壓低等優點的LED照明光源。

由於目前LED產品不是專為航天任務研製，其性能還不能完全滿足航天任務的需求。為此，對空間LED照明設備採用的高亮度白光LED光源進行了技術改進，並針對航天任務用器件標準制定了嚴格的篩選技術條件，保證了器件的可靠性。在照明設備設計中，使用多顆LED器件，經結構設計、串並聯設計、光學系統設計、降額設計、防眩光設計，達到了長壽命、高可靠性的空間照明需求，滿足了人機工效設計要求。

另外，針對LED的特點，設計研製了恆流源供電系統，使用瞬態干擾和過應力保護設計，輸入/輸出均設有濾波電路，使外部對電源模組的干擾得到抑制。

發展歷程

儀表照明系統是將載人航天活動中最核心的要素——飛行器和航天員緊緊聯繫在一起共同完成使命的紐帶，是為保障飛行過程可靠、安全和支持航天員高效完成在軌飛行任務而設定的系統。

隨著航天技術以及航天員參與任務程度的發展，我國載人太空飛行器儀表照明系統也相應經歷了以下3個發展階段：

第一階段適應於驗證基本有人參與航天技術外的任務目標，為航天員完成對太空飛行器飛行狀態的觀察和簡單的操作提供支持，已於載人一期工程中實現。

第二階段適應與天地往返運輸以及掌握交會對接技術等目標，為航天員操縱、控制太空飛行器的飛行以及處理飛行器故障提供支持，達到完全服務於人控飛行的目標。已在載人二期工程中實現並處於套用階段。

第三階段為航天員在軌完成各類空間科學研究、實驗任務，乃至空間生產、加工和開發提供支持，達到服務於空間套用的目標，目前正隨載人三期工程開展調研論證及設計開發工作。

前景展望

我國後續載人三期工程太空飛行器由多艙段組合構成，並長期在軌運行，期間與多個飛行器對接，且有不同的航天員在軌工作、生活，由於航天員在軌工作、生活時間更長，信息監測、處理需求更多，不同時期的任務變化需要信息互動功能對應調整更新。儀表與照明分系統須對應任務環境和需求的變化，並結合國外相關技術套用情況及故障經驗，在系統層面上最佳化設計、提升能力，實現第三階段的分系統任務。

標準化接口綜合顯示系統

三期儀表綜合顯示系統層面須設計實現系統架構、組成和功能分配，以及系統接口的標準化，為綜合顯示系統的多媒體人機互動、高性能顯示終端、軟體功能在軌維護等技術實現建立系統基礎和架構，並在系統設計層面上解決新技術套用、系統重組、在軌排故/維護等難點。為適應後續的長期在軌工作任務，儀表綜合顯示系統功能組成單元須實現平台化和小型化，以支持系統的在軌重組、維護維修，重點為計算機平台和底層支持軟體平台。由於多艙段對接，該系統硬體、軟體平台應實現接口統一、功能可擴展的技術，且應具備便於航天員在軌操作和在軌維護的能力。

對應後續的多任務需求情況，儀表綜合顯示系統須具備軟功能在軌維護、更新的能力，以實現綜合顯示系統的功能調整、任務配置更新；並具備地面注入更新、航天員在軌操作更新的能力。該技術須實現天地傳輸中可能出現的數據幀損壞時的自動識別和保護，天上設備在更新錯誤情況下的白保護措施和自恢復技術。同時對於航天員在軌操作更新，須設計便於航天員在軌操作的方法，並具有操作過程中出現問題時的保護恢復能力。

高性能高可靠計算機系統平台

在三期任務中可採用技術更新、性能更好的硬體平台，進一步提高航天員工作的舒適性，減少人為錯誤的發生。隨著地面高性能處理器的發展更新，在二期高性能PC8245型處理器套用試驗的基礎上，對應後續信息處理需求，須進一步開發驗證高性能計算機系統平台。平台化高性能計算機系統支持海量信息處理、存儲，多媒體技術，多任務運行和調度、任務間同步與通信以及系統重組。

同時，在二期航天員娛樂用個人計算機考核驗證的基礎上，在後續設計中配備輔助信息處理系統，採用高性能筆記本計算機，輔助進行三維視圖、視頻、維修維護支持、故障報警提示等任務，為航天員提供更加便捷、智慧型、準確和舒適的信息服務。

高性能顯示系統終端技術

為滿足後續太空飛行器任務大信息量顯示需求以及高速信息系統網路的海量數據處理需求，須在前期基礎上，進一步實現高性能的顯示終端技術，研製大螢幕觸摸式液晶顯示屏，並具備支持高速、高清圖像顯示的能力。觸摸式顯示屏還未在國內航天產品上套用，須突破該類型液晶顯示器在航天工作環境下的可靠性、安全性設計難點，以及對應後續太空飛行器任務的長壽命設計難點。須同時實現航天員在軌操作時人員和設備的保護技術。

能化多媒體人機互動技術

對應後續太空飛行器大容量的信息內容，須給予航天員更加智慧型和人性化的顯示提示界面。因此人機互動技術須在顯示提示的基礎上，實現配合顯示的視頻、音頻、燈光等綜合互動界面，以多種方式實現與航天員的動態互動。並在後續太空飛行器所能提供的資源配置情況下，提升現有的綜合信息互動技術。另外通過虛擬儀表顯示、三維模型顯示等技術開發和使用，在高性能計算機系統平台及輔助平台上，進一步提供智慧型、高效的人機互動技術。

空間LED照明技術

在前期LED照明技術基礎上，繼續提升空間照明技術能力，針對各種不同任務需求設計開發照明系統，以滿足後續任務外部活動空間的擴大、構型的複雜性、航天員在軌及外部空間任務的複雜性和多樣性等需求。