宇航服电子元器件:航天员的“生命保护神”

2008-12-25 18:14:58来源: 中国电子报

——— 中电科技集团保障“神舟七号”侧记之五

 

      航天员系统是“神七”飞船中和航天员最密切接触的系统,直接关乎航天员的生命安全。中国电子科技集团的各个研究所为航天员系统提供了一系列的电子元器件:光电耦合器传感器、混合集成电路等产品,这些电子元器件为航天员的生命安全提供了坚实的保障。

      2008年9月25日,当“神舟七号”划过天际进入预定轨道时,所有中国人都为之欢呼。如果把整个“神七”飞船系统比作一个人的机体,那么众多的元器件就如同机体组织中的细胞,尽管微小,却至关重要不容忽视。应用在航天飞行器上的产品,其性能指标要求非常严格,一些条件甚至近似苛刻,对可靠性的要求更是非常高,必须做到万无一失,技术难度相当大。

      在“神七”七大系统中,航天员系统是和航天员接触最密切的系统,直接关乎航天员的生命安全,任何一个零部件的瑕疵都可能造成无可挽回的损失。中国电子科技集团的各个研究所为航天员系统提供了一系列的电子元器件:光电耦合器、传感器、混合集成电路等产品,通过不断的技术创新,以及所内上下所有部门的戮力配合,电子元器件顺利地为航天员的生命安全提供了坚强有力的保障。[page]

      所有部门为“神七”亮绿灯

      中国电子科技集团公司和下属的各所对“神七”任务都特别重视,所长亲自挂帅,一切部门要为“神七”项目亮绿灯,这为产品保质保量完成提供了坚实的保证。其中与航天员系统密切相关的包括二十三所、四十三所、四十四所、四十八所、四十九所。

      从“神一”到“神七”的历次飞行任务中,四十三所为飞船先后配套了5大类混合集成电路产品。2005年1月底,负责飞船系统的航天集团某研究所提出要求四十三所在当年3月份前研发出3个品种温度变换器,并对其性能提出了很高的要求。四十三所在时间紧、任务重、难度大的情况下,电路设计人员在“多难也要啃下这块硬骨头”的信念下加班加点,全身心投入到产品研制过程中。

      为了使这些产品从设计、生产、试验到交付一次性成功,确保零缺陷,四十四所从领导到科技人员都高度重视,并成立了“神舟七号载人航天飞行任务”领导小组、技术保障小组和质量检查整改小组,汤兴华所长任领导小组组长。为了确保任务保质保量按时完成,所里调集精兵强将,成立了重点型号公关小组,在科研攻关过程中实施全过程控制和零缺陷管理。所里要求全力围绕重点型号产品服务,为重点型号产品铺设“绿色通道”。凡是任务所需解决的问题,各研究室、各机关部门及保障单位必须及时给予解决。

      二十三所在接到“神七”配套任务后,所长唐正国亲自挂帅,并强调要以对我国航天事业高度负责的态度对待“神七”配套项目。他调动所有人力无力,全力支持研制工作,从原材料采购到检验,从工艺参数到设备状态,从产品中间检验到最终检验,都严格按质量体系要求程序操作,确保产品质量过关。

      “神七”载人航天工程舱外航天服系统用的服装压力传感器、气瓶压力传感器是四十八所第一次承担中国载人航天工程产品研制任务。接到任务后,全所上下十分重视,专门成立了以唐景庭所长为组长的传感器研制领导小组。所内一切部门都为产品的研制开绿灯,并发扬特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献的“载人航天”精神,确保任务圆满完成。经过两年多的刻苦攻关,产品顺利交付。为了保障“神七”飞行最终任务的顺利完成,唐所长又迅速作了部署,在所内专门成立了“神七”任务快速应急领导小组和应急技术保障小组,由唐景庭所长亲自任组长,领导小组协调所内一切资源,保障“神七”成功发射和航天员成功出舱。 [page]

      电子元器件为航天员安全护航

      四十四所承担“神七”载人航天飞行3项配套生产任务,分别有3个型号的产品得到应用,其中某型号的光电耦合器在出舱宇航服内部电源系统中得到应用。该光电耦合器用于监测宇航服的电池电压,它能准确判断电源系统工作是否正常,并对电源的供电情况进行实时监测。

      测量过程要求保证做到测量点和人体的电气隔离,从而保证航天服能安全工作。该产品具有线性度高、温度漂移小等优点,同时它还采取了相应的抗电离辐射加固的措施,保证在较大剂量空间γ射线的作用下,功能也运行正常。该产品在系统中运行良好,工作稳定,为航天员实现舱外行走提供了有力保证。

      四十八所承担了“神七”舱外航天服系统中的两种压力传感器:一种是FTH403气瓶压力传感器,它安装在“神七”舱外航天服的背包和挂包内,用于测量服装背包和挂包中高压氧瓶内的压力变化,为供气子系统及氧瓶的使用提供依据,确保有足够的高压氧气让航天员遨游太空;另一种是FTH401服装压力传感器,它安装在舱外航天服的背包内,用于测量服装内航天员呼吸压力,从而保障服装内环境压力满足航天员工作需求和生命安全需求。

      四十三所为“神七”研制配套数百块高可靠性温度变换器混合集成电路产品,它们具有通用性强、测温范围广、精确度高、抗电磁干扰能力强等特点,被广泛应用于航天员宇航服系统中,为保护航天员生命、确保飞船正常工作提供了保障。

      此次为“神七”配套的产品之一是温度混合集成电路,它主要用来将传感器测量到的环境温度数据转化为可以识别的电信号,从而达到调节温度的目的。太空中没有大气层的保护,飞船和宇航服表面温度变化极大,最大可相差几百度,寒冷和炙热时刻威胁着航天员的生命。宇航服要想做好航天员的“生命保护神”,确保航天员生命安全,温度变化器这个电路系统和外界温度之间的“翻译”能否很好地发挥作用至关重要。

      二十三所承接了“SZ-7心电电极帽及引线”项目。该项目用于航天员的医监系统中,它是实现对航天员心电信号和其他身体特征实时监测和信号传输的关键部件。此外,二十三所还为“神七”配套“通信头戴电缆”和“航天服生理信号电缆”,分别用于航天员头戴通信系统和航天服生理信号传输系统。“通信头戴电缆”是实现通信头戴、舱内压力服和飞船返回舱语音处理装置连接的重要部件。而“航天服生理信号电缆”是航天服中传输航天员心电、呼吸、体温、脉搏、血压等生理特征信号的传输线,是检测航天员生理信号是否安全的传输信号电缆。

      四十九所从1994年开始为载人航天工程研发配套传感器,为“神一”到“神六”的多次飞行任务的顺利完成提供了高精度、高可靠的控制和测量参数。FTH系列产品安装在舱外航天服的背包内,包括液冷服水温传感器、通风温度传感器和水升华器出口水温传感器,用于监测舱外服内相关设备的工作情况。 [page]

      技术创新推动产品性能突破

      由于出舱宇航服特殊的使用环境,产品规定在辐照环境下依然要保持高的线性度,而且要求在全温范围内以及在辐照环境下保持极高的综合精度。四十四所攻关组经过多次交流,根据产品特点进行辐射效应的理论研究和实验,分析其辐射效应薄弱环节及损伤模式,有针对性地开展抗辐射加固的设计和工艺技术研究。在产品研制生产过程中,四十四所通过选择合适的芯片和采取补偿设计,使用自制高精度耦合台等措施,经过多次抗辐照摸底实验,反复改进和调试,不断完善器件结构和工艺技术。

      为了积累第一手资料,攻关组几位同志多次到某基地进行γ射线的电离辐射实验。由于实验时间长,并且需要在各个剂量点进行在线监测,随时记录实验过程中各个参数的变化情况,四十四所相关员工经常是连续30多个小时不能合眼。经过四十四所共同努力,产品在抗辐射加固方面取得了突破,满足了用户的使用要求。

      其中运用在出舱宇航服上的GG1142Z型光电隔离器运用了一系列创新技术:综合精度高,在工艺实施中,采用了对器件合理布线的工艺技术,提高器件隔离特性的工艺技术等,保证了工艺的先进性和样品质量;线性度高,通过耦合工艺控制线性光耦传递系数及线性度,确保线性光耦传递系统的一致性以及满足非线性度达到合同技术指标的要求;抗辐射能力强。

      四十三所在充分了解产品的功能、性能要求的基础上,经过EDA(电子设计自动化)设计论证和大量试验,优化了电路设计方案,在一个半月内完成了方案评审、电路设计、计算机仿真、元器件选型、工艺生产、产品调试、试验筛选等各项工作,保证了产品按期交付用户。经用户联机使用测试,各项性能测试均符合要求,其中测量精度更是提升了40%以上,远优于用户要求。

      二十三所的“SZ-7心电电极帽及引线”项目在“神舟六号”配套产品工艺技术基础上不断改进,技术人员通过摸索新工艺,创新地采用夹持固定结构,使产品的可靠性有了质的飞跃。正是通过创新工艺,该产品具有可靠性高、结构紧凑、体积小、重量轻、使用灵活方便且具有防误操作的功能。同时,由于该产品体积小,各个零部件加工繁琐,二十三所通过无数次的电脑模拟,对多套方案逐一进行力学和热力学分析比较并优化方案,大大缩短了试制周期,使产品可靠性水平有了很大的突破。二十三所不仅实现了电极帽连接牢固、接触可靠,而且在短时间内形成了小批量供货能力,按时保质地为客户提供了100套优质的配套电极帽产品。

      四十八所的两款芯片都采用了完全自主知识产权的离子束测射镀膜工艺制作而成,第三款芯片与压力接口采用了全焊接方式,有效地解决了“神七”飞船舱外航天服对压力传感器所需的耐高压、耐氧化、不泄露、小体积、高可靠性等问题。该产品的研制成功,填补了国内空白,打破了国外的技术封锁,并替代了从俄罗斯进口的压力传感器,满足了载人航天的迫切需求,同时也为“神八”类似产品的研制提供了技术支持。

      四十九所为“神七”舱外服配套的产品主要技术都是自主研发、自主创新的,其性能均达到世界先进水平。如用于航天员体温监测的传感器,系统要求将温敏传感器装到与人耳相匹配的耳包内,在完成检测功能的同时,保证航天员人体安全且佩戴舒适。目前国内尚无耳包设计的成型技术,四十九所经过查阅人体工力学等大量资料,进行了反复试验验证,突破了耳包成型和敏感元件的外形成型工艺难点,经航天员实际佩戴试验,感觉良好,很好地满足了系统要求。

关键字:神七  宇航服

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/analog/200812/article_23227.html
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