一幅傳回地面的圖像背后,,都是中國(guó)航天人的付出。
2021年6月17日,,神舟十二號(hào)載人飛船發(fā)射成功,。
神舟十二號(hào)載人飛船在長(zhǎng)征2F運(yùn)載火箭的托舉下,以一往無前之勢(shì)沖入澄澈霄漢,。
根據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室發(fā)布的消息,,航天員聶海勝、劉伯明,、湯洪波乘神舟十二號(hào)載人飛船前往空間站天和核心艙,。按計(jì)劃,他們將在太空駐留長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月,。
舉國(guó)上下觀看了發(fā)射升空震撼一幕,,火箭各個(gè)分離動(dòng)作一目了然、盡收眼底,,未來,,我們也將看到航天員們?cè)陲w船上的一舉一動(dòng)。
你是否會(huì)好奇,,火箭上有多少個(gè)攝像頭,,它們都裝在哪,除了讓我們一飽眼福,,還有什么作用,?
攝像頭:中國(guó)長(zhǎng)征家族系列火箭標(biāo)配之路
國(guó)人第一次感受到中國(guó)火箭升空一霎那、各助推器分離的視覺沖擊,,是在16年前,。
2005年10月12日,神舟六號(hào)發(fā)射,火箭上的攝像頭拍下了從點(diǎn)火到船箭分離的全過程,。
在火箭上安裝攝像頭并實(shí)時(shí)傳輸圖像,,不僅是中國(guó)載人航天發(fā)射的首次,在中國(guó)所有航天發(fā)射的運(yùn)載火箭上也是第一次,。
這個(gè)「第一次」,,得益于兩個(gè)方面的發(fā)展:
一是遙感技術(shù)。前五次“神箭”的成功發(fā)射經(jīng)驗(yàn)積累上,,中國(guó)在遙測(cè)參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化,,為圖像傳輸提供足夠的通道和空間,使得攝像頭可將圖像與遙測(cè)參數(shù)在發(fā)射時(shí)同步傳輸給地面,。
二是圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展,。
存儲(chǔ)開銷低(適合機(jī)載條件)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)(時(shí)延?。?、恢復(fù)圖像質(zhì)量好(失真小)的高倍視頻數(shù)字壓縮編碼技術(shù)有不少進(jìn)步,。
神舟六號(hào)的箭體上裝載了兩個(gè)攝像頭,,之后,神舟七號(hào)飛船發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征二號(hào)F型火箭加裝了第三個(gè)攝像頭,。
此后,,火箭上的攝像頭越來越多。
中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院所屬北京宇航系統(tǒng)工程研究所圖像測(cè)量系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師馮輝介紹,,一枚火箭,,少則有兩三個(gè),多則十幾個(gè),,甚至數(shù)十個(gè)攝像頭,,如長(zhǎng)二丙火箭有2個(gè)攝像頭,,長(zhǎng)三甲火箭有3個(gè)攝像頭,,我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào)有11個(gè)攝像頭,長(zhǎng)征五號(hào)火箭則有20個(gè)攝像頭,。
那么,,攝像頭都安裝在哪里?
神舟六號(hào)箭體上的兩個(gè)攝像頭,,分別安裝在整流罩內(nèi)和火箭二級(jí)芯體中間部位,,火箭發(fā)射升空過程中,兩個(gè)攝像頭可對(duì)助推器分離,、一二級(jí)分離,、整流罩分離、箭船分離等動(dòng)作進(jìn)行跟蹤拍攝,并實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妗?/p>
長(zhǎng)征五號(hào),,我們看到的助推器視角的攝像機(jī)如下圖紅圈處,,在二級(jí)中部,共4個(gè),,均勻分布,。
圖片來源:見圖中標(biāo)注
2016年,長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭搭載了11個(gè)攝像頭,。
4個(gè)助推器的發(fā)動(dòng)機(jī)尾艙各裝一個(gè),,一級(jí)尾艙2個(gè),二級(jí)儀器艙外壁3個(gè),,二級(jí)尾艙2個(gè),。
圖片來源:CCTV 13
不知不覺中,我們已經(jīng)通過視頻見證了火箭發(fā)射升空畫面16年,。
從無到有,,從有到多,中國(guó)航空航天技術(shù)日新月異,,從火箭上傳送回來的畫面越來越多,,角度越來越豐富,而攝像頭,,也逐漸成為中國(guó)運(yùn)載火箭的標(biāo)配,。
這些攝像頭都發(fā)揮什么作用?
攝像頭也叫圖像實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng),,它們主要的職責(zé)就是監(jiān)視火箭飛行過程中的關(guān)鍵分離動(dòng)作,,包括助推器分離、級(jí)間分離,、星箭分離等,。
火箭內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況和數(shù)據(jù)指標(biāo)等,都需要由攝像頭提供第一手的畫面監(jiān)控,。
比如上面提到的神舟六號(hào)發(fā)射時(shí),,運(yùn)載火箭上安裝的第三個(gè)攝像頭,承擔(dān)了四個(gè)重任:
1,、監(jiān)測(cè)主發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況
2,、監(jiān)測(cè)4個(gè)游機(jī)的擺動(dòng)情況
3、監(jiān)測(cè)二級(jí)尾艙的熱情況
4,、監(jiān)測(cè)二級(jí)增壓管路做‘鋁改鋼’技術(shù)改進(jìn)后的效果
長(zhǎng)征七號(hào)攝像頭達(dá)11個(gè),,可執(zhí)行的任務(wù)也更多。
比如分別位于助推器和一級(jí)尾艙的攝像頭,,用于監(jiān)測(cè)飛行過程中尾艙內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)和伺服機(jī)構(gòu),,以及相應(yīng)尾艙內(nèi)的環(huán)境。
二級(jí)儀器艙外壁攝像頭,觀測(cè)飛行過程中助推器分離和一級(jí)分離動(dòng)作,。
僅僅有可見光的攝像頭還不夠,,由于火箭對(duì)溫度高度敏感,這就需要紅外攝像頭配合掌握它的實(shí)時(shí)情況,。
在二級(jí)尾艙的兩個(gè)攝像頭裝置,,一個(gè)是可見光,一個(gè)是紅外,,也是為了觀察級(jí)間分離的過程,。
紅外裝置可以監(jiān)視二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中整個(gè)溫度場(chǎng)分布,還有一個(gè)在整流罩內(nèi)部,,位于飛船支架上,,觀測(cè)飛行過程中有效載荷和火箭的分離。
這些攝像頭有什么要求,?
由于火箭在太空中飛行的環(huán)境復(fù)雜,,箭體上的攝像裝置要滿足以上要求,首先需要考慮的一個(gè)問題就是成本,。
在光學(xué)組件生產(chǎn)工藝上,,設(shè)計(jì)師用整機(jī)測(cè)試體嗲零部件測(cè)試,降低測(cè)試費(fèi)用,;
在管理模式上,,用組批訂貨、組批生產(chǎn),、組批驗(yàn)收的產(chǎn)品化管理模式,,讓成本降低了60%。
此外是所處環(huán)境,。
為了保證對(duì)火箭的全程監(jiān)控,,在火箭不同位置各司其職,其實(shí)也是全副武裝,。
神舟六號(hào)運(yùn)載火箭中,,二級(jí)尾艙有5個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī),溫度高,、震動(dòng)大,、亮度強(qiáng),,工作環(huán)境十分惡劣,,對(duì)攝像頭提出極高的要求。
對(duì)于機(jī)身,,因冷熱突變,,需要對(duì)攝像機(jī)整個(gè)機(jī)身進(jìn)行防熱和抗振處理,以及保溫措施。
對(duì)于鏡片,,需要采用耐高溫材料,,比如長(zhǎng)征二號(hào)F型火箭采用的就是抗高溫的石英玻璃片做鏡頭;
對(duì)于拍攝過程,,需要攝像頭有可調(diào)節(jié)裝置,,為了更好拍攝尾艙里的火焰,長(zhǎng)征二號(hào)F型火箭攝像頭裝配了能夠隨亮度自動(dòng)調(diào)整的濾光片,。
而對(duì)于飛行中整流罩拋罩前后光線的明暗變化,、箭體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的迎光和背光位置交替現(xiàn)象等則采用增加照明設(shè)備、補(bǔ)充光線,、提高照度來解決,。
另外,在火箭艙內(nèi)的攝像頭,,在周圍漆黑一片的情況下,,要自帶LED光源進(jìn)行補(bǔ)光,而艙外的攝像頭雖然不用補(bǔ)光,,但卻需要保證攝像頭在火箭外壁上站得穩(wěn),,同時(shí)還需要一件“防熱衣”,對(duì)抗起飛后的摩擦急劇升溫,。
為什么攝像機(jī)清晰度看起來很低,?
有人可能發(fā)現(xiàn)了,我們看到的攝像頭畫質(zhì)并不高清,,分辨率很低,。
你感覺的沒錯(cuò),據(jù)了解,,目前箭載攝像頭都是標(biāo)清設(shè)備,。
目前4K、8K視頻技術(shù)在不少領(lǐng)域應(yīng)用,,為何航天航空的視頻沒有應(yīng)用,?
1、成本
成本是極其重要的考量因素,。
以神舟載人飛船為例,,不少攝像頭安裝在箭體上,即助推器和二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)附近,。
火箭的作用,,是提供足夠的推力,使飛船擺脫地心引力,,當(dāng)火箭將飛船送入大氣層,,箭體完成任務(wù)后將廢棄,。
此外,飛船的飛行任務(wù)結(jié)束后,,返回地球中,,推進(jìn)艙會(huì)在大氣層中燒毀,軌道艙在軌飛行一段時(shí)間后也會(huì)進(jìn)入大氣層燒毀,。
這意味著安裝在飛船上的攝像頭也會(huì)在這個(gè)過程毀壞,。
因其一次性屬性,在質(zhì)量和成本的權(quán)衡下,,攝像頭滿足基本要求即可,。
2、信號(hào)傳輸
視頻是由一張張圖片連接起來形成的動(dòng)態(tài)圖像序列,,高分辨率畫質(zhì)意味著高數(shù)據(jù)量,。
若直接將每張圖片的每一個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)都加以存儲(chǔ)和傳輸,視頻碼流所占用的帶寬將不可估量,。
畫質(zhì)越好,,碼率越高;碼率越高,,帶寬越大,;帶寬越大,傳輸越難,。
高清的視頻是對(duì)信號(hào)傳輸能力巨大考驗(yàn),。
雖然中國(guó)在啟用天鏈中繼衛(wèi)星后,監(jiān)控和傳輸能力都有所提升,,但天地傳輸能力依然有限,。
遙測(cè)帶寬的限制下,畫質(zhì)的提升意味著要投入更多的研發(fā)成本,,而這些成本對(duì)于發(fā)射任務(wù)本身,,必要性不大。
在此背景下,,他們選擇將傳輸通道讓位于更有用的數(shù)據(jù),。
3、重量
鑒于火箭飛行以及太空的環(huán)境特殊,,選擇航天器各配件時(shí),,質(zhì)量大小是一項(xiàng)極其重要指標(biāo),攝像頭的要求之一是夠輕,。
為了更高的畫質(zhì)導(dǎo)致攝像頭重量增加,,運(yùn)載火箭的負(fù)擔(dān)勢(shì)必也會(huì)增加。
視頻的畫質(zhì)并非必要選項(xiàng),,完全可以省下攝像頭的重量,,放置其他更重要的東西,因此也適當(dāng)放寬了對(duì)攝像頭的像素要求,。
4,、改動(dòng)成本大
有業(yè)內(nèi)人士提到,運(yùn)載火箭是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng),,在火箭上加任何東西,,做任何改動(dòng),都要經(jīng)過全面完整的論證,。
要通過電波將圖像傳回地面,,就要增加電波傳輸裝置,對(duì)整流罩,,對(duì)飛船的影響如何,,必須全面考慮。所以在傳回地面的每一幅圖像背后,,都有著許多細(xì)致入微的工作做支撐,。
同樣,神舟飛船也如此,。
“中國(guó)航天一直講求實(shí)用為主,,所以能省的變動(dòng)都省了?!彼f,,“為保持飛船整體狀態(tài)的連續(xù),保證飛船的可靠性,,不輕易改變飛船內(nèi)的設(shè)備布局,,尤其是艙內(nèi)攝像頭這種不涉及核心技術(shù)問題的設(shè)備?!?/p>
其實(shí)我們并非沒有相關(guān)技術(shù):
比如有業(yè)內(nèi)人士指出,,航空航天器上的攝像頭,分辨率都在2w*2w以上,,普通民用電腦和手機(jī)完全承受不住衛(wèi)星照片的壓力,。
而我們一般看到的衛(wèi)星圖片,大多經(jīng)過多級(jí)壓縮,。
比如探月衛(wèi)星的月面全彩照(Base64加密傳輸技術(shù))可達(dá)到單張圖片20G左右,、分辨率70000*120000左右,更有航天攝像機(jī)達(dá)到了億級(jí)像素,。
又比如2019年10-12月間,,北京中聯(lián)合超高清協(xié)同技術(shù)中心(超高清視頻制作技術(shù)協(xié)同中心)與中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)等單位,在中國(guó)衛(wèi)通北京地球站成功完成了全國(guó)第一例8K超高清視頻的衛(wèi)星傳送接收測(cè)試,。
目前火箭上攝像頭的畫質(zhì),,是多重因素下的綜合選擇,。
當(dāng)然,如果有一款畫質(zhì)好,、可靠性高,、能夠適應(yīng)太空環(huán)境、成本低廉,、重量輕的攝像機(jī),,而且有高效的信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)的話,何樂而不為,。
我們也相信在將來,,隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,火箭也能用上高清攝像頭,。
中國(guó)航天,,一個(gè)值得自豪的名詞
從無到有,從有到多,,從火箭上傳送回來的畫面越來越多,,角度越來越豐富,中國(guó)航天技術(shù)日漸發(fā)展,。
近幾年,,中國(guó)航空屢次取得重大進(jìn)展,上火星,、探月球逐一達(dá)成,。
從神舟載人飛船出艙到天宮發(fā)射,從天宮實(shí)驗(yàn)室到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)初步形成,,從嫦娥二號(hào)到嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)人類首次登月,,從成功地首飛長(zhǎng)五長(zhǎng)七號(hào)新型火箭到國(guó)產(chǎn)500噸火箭發(fā)動(dòng)機(jī),中國(guó)航天走出一條艱辛又欣欣向榮的道路,。
遙記2019年1月3日,,嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功著陸在月球背面。
嫦娥四號(hào)是人類歷史上首次實(shí)現(xiàn)航天器月球背面軟著陸和巡視勘察,,是首次實(shí)現(xiàn)月球背面同地球的中繼通信,。
中國(guó)航天首次將“人類”兩字放到了“首次”前。
今朝的6月17日,,神舟十二號(hào)與天和核心艙完成對(duì)接,,中國(guó)人首次進(jìn)入自己的空間站。
“自己的空間站”六個(gè)字,,有太多不可思議,、太多故事、太多攻堅(jiān),。
當(dāng)初,,西方排擠中國(guó)參與國(guó)際空間站,。
如今,由美國(guó)主導(dǎo)的國(guó)際空間站日益老化,,即將退役,,彼時(shí)中國(guó)的天宮空間站將是人類唯一的一個(gè)空間站。
歐美等軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)中國(guó)航天的嚴(yán)格技術(shù)封鎖,,一直持續(xù)到今天,。
在嚴(yán)格封鎖甚至是打壓下,,中國(guó)航天奮斗二十余年,,自力更生,躋身第一梯隊(duì),,得今日之成就,。
不得不承認(rèn),「中國(guó)航天」是一個(gè)值得自豪的名詞,。
如今,,中國(guó)可以在浩瀚的星辰大海乘風(fēng)破浪,逐夢(mèng)蒼穹,。
在此,,誠(chéng)摯感謝一代又一代的中國(guó)航天人。