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每一幅傳回地面的圖像背后，都是中國(guó)航天人的付出。

”

作者 | 余快

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(wú)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(lái)，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(jué)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(guò)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(kāi)銷低(適合機(jī)載條件)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)(時(shí)延小)、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(lái)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。

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(guò)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?/span>

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(lái)源：見(jiàn)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(lái)源：CCTV 13

不知不覺(jué)中，我們已經(jīng)通過(guò)視頻見(jiàn)證了火箭發(fā)射升空畫(huà)面16年。

從無(wú)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(lái)的畫(huà)面越來(lái)越多，角度越來(lái)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(guò)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(huà)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(guò)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(guò)程中助推器分離和一級(jí)分離動(dòng)作。

僅僅有可見(jiàn)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(jiàn)光，一個(gè)是紅外，也是為了觀察級(jí)間分離的過(guò)程。

紅外裝置可以監(jiān)視二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(lái)解決。

另外，在火箭艙內(nèi)的攝像頭，在周?chē)岷谝黄那闆r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(lái)很低？

有人可能發(fā)現(xiàn)了，我們看到的攝像頭畫(huà)質(zhì)并不高清，分辨率很低。

你感覺(jué)的沒(méi)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(méi)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(guò)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(lái)形成的動(dòng)態(tài)圖像序列，高分辨率畫(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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(guò)全面完整的論證。

要通過(guò)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。”他說(shuō)，“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(wèn)題的設(shè)備。”

其實(shí)我們并非沒(méi)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(guò)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(huà)質(zhì)，是多重因素下的綜合選擇。

當(dāng)然，如果有一款畫(huà)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(lè)而不為。

我們也相信在將來(lái)，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(wú)到有，從有到多，從火箭上傳送回來(lái)的畫(huà)面越來(lái)越多，角度越來(lái)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。