聊一聊火箭上的摄像头

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神舟十二号载人飞船于2021年6月17日发射成功。在长征2F运载火箭的托举下,神舟十二号载人飞船一往无前地冲向澄澈霄汉。整个发射过程,举国上下一片震撼,火箭分离的动作一目了然,尽收眼底,我们还能看到航天员在飞船上的一举一动。你们会好奇,在火箭上有多少个摄像机,他们都是安装在哪里的,除了让我们感到满足,还能做什么?

火箭

摄像头:中国长征家族系列火箭标配之路

国人第一次感受到中国火箭升空一霎那、各助推器分离的视觉冲击,是在16年前。2005年10月12日,神舟六号发射,火箭上的摄像头拍下了从点火到船箭分离的全过程。在火箭上安装摄像头并实时传输图像,不仅是中国载人航天发射的首次,在中国所有航天发射的运载火箭上也是第一次。

这个「第一次」,得益于两个方面的发展:

一是遥感技术。前五次“神箭”的成功发射经验积累上,中国在遥测参数上进行优化,为图像传输提供足够的通道和空间,使得摄像头可将图像与遥测参数在发射时同步传输给地面。

二是图像压缩技术的发展。

存储开销低(适合机载条件)、实时性强(时延小)、恢复图像质量好(失真小)的高倍视频数字压缩编码技术有不少进步。

神舟六号的箭体上装载了两个摄像头,之后,神舟七号飞船发射任务的长征二号F型火箭加装了第三个摄像头。此后,火箭上的摄像头越来越多。中国运载火箭技术研究院所属北京宇航系统工程研究所图像测量系统主任设计师冯辉介绍,一枚火箭,少则有两三个,多则十几个,甚至数十个摄像头,如长二丙火箭有2个摄像头,长三甲火箭有3个摄像头,我国新一代运载火箭长征七号有11个摄像头,长征五号火箭则有20个摄像头。

摄像头都安装在哪里?

神舟六号箭体上的两个摄像头,分别安装在整流罩内和火箭二级芯体中间部位,火箭发射升空过程中,两个摄像头可对助推器分离、一二级分离、整流罩分离、箭船分离等动作进行跟踪拍摄,并实时传输到地面。

长征五号,我们看到的助推器视角的摄像机如下图红圈处,在二级中部,共4个,均匀分布。

火箭

2016年,长征七号运载火箭搭载了11个摄像头。4个助推器的发动机尾舱各装一个,一级尾舱2个,二级仪器舱外壁3个,二级尾舱2个。

火箭

不知不觉中,我们已经通过视频见证了火箭发射升空画面16年。从无到有,从有到多,中国航空航天技术日新月异,从火箭上传送回来的画面越来越多,角度越来越丰富,而摄像头,也逐渐成为中国运载火箭的标配。

这些摄像头都发挥什么作用?

摄像头也叫图像实时测量系统,它们主要的职责就是监视火箭飞行过程中的关键分离动作,包括助推器分离、级间分离、星箭分离等。火箭内部的发动机工作情况和数据指标等,都需要由摄像头提供第一手的画面监控。

比如上面提到的神舟六号发射时,运载火箭上安装的第三个摄像头,承担了四个重任:

1、监测主发动机工作情况

2、监测4个游机的摆动情况

3、监测二级尾舱的热情况

4、监测二级增压管路做‘铝改钢’技术改进后的效果

长征七号摄像头达11个,可执行的任务也更多。

比如分别位于助推器和一级尾舱的摄像头,用于监测飞行过程中尾舱内的发动机和伺服机构,以及相应尾舱内的环境。二级仪器舱外壁摄像头,观测飞行过程中助推器分离和一级分离动作。仅仅有可见光的摄像头还不够,由于火箭对温度高度敏感,这就需要红外摄像头配合掌握它的实时情况。在二级尾舱的两个摄像头装置,一个是可见光,一个是红外,也是为了观察级间分离的过程。红外装置可以监视二级发动机在工作过程中整个温度场分布,还有一个在整流罩内部,位于飞船支架上,观测飞行过程中有效载荷和火箭的分离。

这些摄像头有什么要求?

由于火箭在太空中飞行的环境复杂,箭体上的摄像装置要满足以上要求,首先需要考虑的一个问题就是成本。在光学组件生产工艺上,设计师用整机测试体嗲零部件测试,降低测试费用;在管理模式上,用组批订货、组批生产、组批验收的产品化管理模式,让成本降低了60%。

此外是所处环境。为了保证对火箭的全程监控,在火箭不同位置各司其职,其实也是全副武装。神舟六号运载火箭中,二级尾舱有5个发动机,温度高、震动大、亮度强,工作环境十分恶劣,对摄像头提出极高的要求。对于机身,因冷热突变,需要对摄像机整个机身进行防热和抗振处理,以及保温措施。对于镜片,需要采用耐高温材料,比如长征二号F型火箭采用的就是抗高温的石英玻璃片做镜头;对于拍摄过程,需要摄像头有可调节装置,为了更好拍摄尾舱里的火焰,长征二号F型火箭摄像头装配了能够随亮度自动调整的滤光片。而对于飞行中整流罩抛罩前后光线的明暗变化、箭体转动时可能出现的迎光和背光位置交替现象等则采用增加照明设备、补充光线、提高照度来解决。

另外,在火箭舱内的摄像头,在周围漆黑一片的情况下,要自带LED光源进行补光,而舱外的摄像头虽然不用补光,但却需要保证摄像头在火箭外壁上站得稳,同时还需要一件“防热衣”,对抗起飞后的摩擦急剧升温。

为什么摄像机清晰度看起来很低?

火箭

有人可能发现了,我们看到的摄像头画质并不高清,分辨率很低。

你感觉的没错,据了解,目前箭载摄像头都是标清设备。

1、成本

以神舟载人飞船为例,不少摄像头安装在箭体上,即助推器和二级火箭发动机附近。

火箭的作用,是提供足够的推力,使飞船摆脱地心引力,当火箭将飞船送入大气层,箭体完成任务后将废弃。此外,飞船的飞行任务结束后,返回地球中,推进舱会在大气层中烧毁,轨道舱在轨飞行一段时间后也会进入大气层烧毁。这意味着安装在飞船上的摄像头也会在这个过程毁坏。因其一次性属性,在质量和成本的权衡下,摄像头满足基本要求即可。

2、信号传输

视频是由一张张图片连接起来形成的动态图像序列,高分辨率画质意味着高数据量。

若直接将每张图片的每一个像素点数据都加以存储和传输,视频码流所占用的带宽将不可估量。画质越好,码率越高;码率越高,带宽越大;带宽越大,传输越难。高清的视频是对信号传输能力巨大考验。虽然中国在启用天链中继卫星后,监控和传输能力都有所提升,但天地传输能力依然有限。遥测带宽的限制下,画质的提升意味着要投入更多的研发成本,而这些成本对于发射任务本身,必要性不大。在此背景下,他们选择将传输通道让位于更有用的数据。

3、重量

鉴于火箭飞行以及太空的环境特殊,选择航天器各配件时,质量大小是一项极其重要指标,摄像头的要求之一是够轻。为了更高的画质导致摄像头重量增加,运载火箭的负担势必也会增加。视频的画质并非必要选项,完全可以省下摄像头的重量,放置其他更重要的东西,因此也适当放宽了对摄像头的像素要求。

4、改动成本大

有业内人士提到,运载火箭是一个庞大而复杂的系统,在火箭上加任何东西,做任何改动,都要经过全面完整的论证。要通过电波将图像传回地面,就要增加电波传输装置,对整流罩,对飞船的影响如何,必须全面考虑。所以在传回地面的每一幅图像背后,都有着许多细致入微的工作做支撑。同样,神舟飞船也如此。

中国航天一直讲求实用为主,所以能省的变动都省了。为保持飞船整体状态的连续,保证飞船的可靠性,不轻易改变飞船内的设备布局,尤其是舱内摄像头这种不涉及核心技术问题的设备。

其实我们并非没有相关技术:比如有业内人士指出,航空航天器上的摄像头,分辨率都在2w*2w以上,普通民用电脑和手机完全承受不住卫星照片的压力。而我们一般看到的卫星图片,大多经过多级压缩。比如探月卫星的月面全彩照(Base64加密传输技术)可达到单张图片20G左右、分辨率70000*120000左右,更有航天摄像机达到了亿级像素。

又比如2019年10-12月间,北京中联合超高清协同技术中心(超高清视频制作技术协同中心)与中国卫通集团等单位,在中国卫通北京地球站成功完成了全国第一例8K超高清视频的卫星传送接收测试。

当前火箭上的摄像机画面,是多重因素下的综合选择。如果有一台画质好,可靠性高,能适应太空环境,成本低,重量轻的照相机,还有高效的信号实时传输技术,那将更好。在未来,随着航天技术的不断发展,我们同样相信火箭可以使用高清摄像机。

 

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