载人飞行中,航天员会遇到超重现象[1]。超重分持续性超重和冲击性超重,在飞船发射或返回过程中会发生持续性超重,作用时间至少持续几秒钟;在飞船返回着陆或逃逸塔救生时会发生冲击性超重,作用时间一般在1 s以内。当冲击性超重值超标,特别是飞船返回着陆时的冲击加速度值过大,可使航天员受伤或致命。因此飞船返回舱着陆冲击加速度对航天员的生命健康有着至关重要的影响,飞船返回舱着陆冲击因素的医学评价对于保证航天员身体健康和生命安全具有十分重要的意义[2,3],是无人飞船医学评价的重要内容。我国的载人航天工程在“神舟”2号无人试验后增加了测量飞船返回舱冲击加速度的试验项目,项目通过研制飞船返回舱着陆冲击加速度测量设备,参加“神舟”3号、“神舟”4号无人飞船飞行试验,获取了飞船返回舱着陆冲击加速度试验数据,回答了返回舱着陆冲击力学参数是否满足医学评价要求,首飞航天员上天后能否安全返回的重大问题。

研制过程中的关键技术

由于该项目立项时,“神舟”3号飞船设计已经完成,飞船系统无法提供本设备的供电、重量、指令触发等技术问题,因此这些问题也就成为产品研制过程中首先要解决的。

设备供电船载电子产品工作需要电源,而设备电源来源不外乎两种,由飞船电源系统供电或设备自带电池供电。由于本项目的特殊性,其功耗未在飞船电源系统的最初考虑范围内。而且飞船返回着陆时,飞船返回舱着陆目线存在断电动作,可能导致系统无法正常记录着陆冲击加速度值。因此必须研制专用电池组,为系统提供电源。电池组电源开关在飞船待发段由地面人员打开,在飞船返回地面后由地面人员关闭。

重量与设备供电问题一样,设备重量、体积也未在飞船系统考虑范围内,但任何设备不可避免地存在体积、重量。为不影响飞船重量,将我所承担的无人飞船形体假人进行改装、配重,将设备安装在假人胸腔,保证整体重量满足形体假人交付要求,设备传感器电缆从假人颈部引出。冲击加速度传感器的安装传感器安装位置对数据测量结果影响较大,为最真实准确地测量航天员着陆时冲击加速度值,安装在航天员乘坐的返回舱座椅背面,对应于航天员头部和腰部位置。该位置是人体着陆冲击过程中最易受伤的两测量点,每个测量点均包括x、y、z方向。

数据存储记录的阈值上天产品的存储空间非常宝贵,不可能一直对数据进行采集存储。为了保证长时间的数据采集存储,必须要降低数据采样率。而为了尽可能地包含更多的信息,又要求数据采样率尽可能高,根据采样定理,至少要大于信息中最高频率分量的2倍。系统设计考虑了综合因素,设定采样阈值,系统一直按照2 K采样率对各通道数据进行采样,小于阈值时只采样不存储,大于或等于阈值后,则边采样边存储。系统测量的准确性系统测量准确性问题在设计开始就予以高度重视,必须保证测量数据的准确可靠,影响测量准确性的因素包括:传感器精度、线性度,数据采样时的AD精度问题,地面数据处理软件的算法等等。选用的传感器在装配前必须经过校准、标定,装配后整套系统还由精度更高级的类似测试系统进行标定,地面数据处理软件的算法尽可能采用测试系统算法等等。

设备组成及工作模式

返回舱冲击加速度测量设备主要由冲击加速度传感器、数据采集存贮装置、自带专用电池组、地面数据回放处理设备和相应软件组成,详细系统组成框图如图1所示。

其中:冲击加速度传感器由变电容式单向加速度传感器和3相安装块组装而成,每3个传感器和1个安装块构成1套3相传感器组。本设备使用2套冲击加速度传感器组,分别安装于座椅头部下方位置和座椅椅盆下方位置,安装采用螺接方式。

自带专用电池组采用多只一次锂/亚硫酰氯单体电池和电子元器件经串、并联组成,具有电压高、工作电压平稳、容量大、重量轻、适用范围广等特点,为数据采集存贮装置和冲击加速度传感器提供电源。

地面数据处理设备由RS485/232隔离转换器、便携式微机、地面数据处理软件组成。地面数据处理软件选用虚拟仪器语言软件平台开发而成,运行于Windows系统下[4]。主要完成接收数据存储装置存储的采样数据、对接收的数据进行分类、处理、输出冲击加速度时间历程曲线及相应报告、对数据存储装置内的存储空间进行刷新管理等功能。

返回舱冲击加速度测量设备的工作模式分数据采集记录模式和数据回放处理模式,两种工作模式的转换由地面数据处理设备控制。当返回舱冲击加速度测量设备在待发段打开电源开关后,返回舱冲击加速度测量设备为数据采集记录模式。软件开始计时,并采集2个测量点x、y、z方向冲击加速度,每30 s记录此时刻2个测量点x、y、z方向冲击加速度测量数据及时间。当冲击加速度绝对值大于阈值,则记录此时刻一定时间长度2个测量点x、y、z方向冲击加速度测量数据,当阈值再出现时,再记录此时刻前后时段的飞船冲击加速度数据,直到飞船着陆电源关闭或存贮空间使用完毕。返回舱冲击加速度测量设备与地面数据处理设备联接时处于数据回放处理模式,采用RS485接口协议回放存储数据。回放结束后,由地面数据处理软件对接收到的冲击加速度数据进行处理。在数据回放处理模式下,还可以对返回舱冲击加速度测量设备中的数据存贮器进行刷新管理。

数据采集存储装置的实现数据采集存储装置是返回舱冲击加速度测量设备的核心装置。该装置主要由微处理器、程序存贮器、数据缓存器、Flash数据存贮器、A/D转换器和地址译码器等组成[5](图2)。

数据采集存储装置内装数据测量软件和数据回放软件,软件以微处理器为运行平台,各占E-PROM存储空间的一半,物理上实现硬隔离,由地面数据处理设备实现数据采集记录模式和数据回放处理模式的切换。其中数据测量软件主要完成数据采样、阈值判断、数据存储、系统计时等功能,数据回放软件主要完成存储数据回放、存储空间刷新等功能。

设备应用情况

飞船返回舱冲击加速度测量设备参加了“神舟”3号和“神舟”4号飞船飞行试验任务,该设备成功地记录了飞船返回着陆段时的冲击加速度值,同时完整捕获了飞船上升段抛逃逸塔、抛整流罩,返回着陆段推返分离、轨返分离、座椅提升等事件发生时的加速度变化情况。所记录的冲击加速度事件及数据,为飞船医学评价人员对我国“神舟”号无人飞船冲击因素的相关评价提供了重要、客观的证据。

摘自：中国计量测控网