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我所为天宫二号和长征二号F火箭造大脑
来源: 责任编辑: 发布时间:2016-09-15 09:46:45
9月15日22时04分,长征二号F火箭托举天宫二号空间实验室成功飞天。天宫二号是继天宫一号后我国自主研发的第二个空间实验室。 发射天宫二号是全面完成空间实验室阶段任务的关键之战,将为我国后续空间站建造和运营奠定坚实基础,对于推进我国载人航天事业持续发展,具有十分重要的意义。
作为我国计算机、微电子专业的综合研究所和首次载人交会对接任务重要的承研承制单位,西安微电子技术研究所同样为天宫二号空间实验室任务配套了8种13台套整机、4种88只电路和10种软件。这些产品在任务各阶段都发挥着重要作用。

一、长二F火箭“大脑”箭载计算机由所研制生产
天宫二号的“座驾”长二F火箭由箭载计算机统领全局。它的工作方式就是接收各类敏感器件发送来的信息,经过计算、比对等信息加工程序,发出指令触发执行机构。这个功能是不是很像我们的大脑?正因为如此,箭载计算机被称为火箭的“大脑”。

三冗余体系设计 提高箭机可靠性

载人航天任务的首要要求是安全,长二F火箭的首要要求是稳妥可靠、万无一失,哪怕千分之一秒的“脑梗”宕机也绝对不允许。但是,绝对的零故障只存在于理论计算中,现实中能做的就是千方百计降低故障率,使其无限趋近于零。为满足载人航天工程高可靠性的要求,所对箭载计算机采取“冗余”体系设计。简单地说,就是加备份。假设一台机器发生故障的概率是0.01,那么两台独立的机器同时发生故障的概率就是0.0001,从而在整体上降低了事故概率。

此次为长二F火箭配备的改进型箭载计算机是“三冗余”设计,也就是说这个“大脑”对外是一个,内部结构却是三个。三台计算机每台都有超强能力,比常规的航天控制用计算机在指标上高出一个数量级以上。
他们三者之间既相互独立,又协调统一,关系就像社会生活中决策小组的专家,三个专家在输入和节奏上完全同步,但运行时又相互独立,背靠背给出各自的专家意见。系统采取表决机制,在三个结果中取两个形成最终决策。这样一来,即使一台机器的计算出现小意外,也不会影响整体的输出。
故障检测技术  及时判断重大故障
长征二号F火箭具有很高的可靠性,为了确保万无一失,火箭增设了故障检测处理系统,通过实时检测火箭的重要参数,及时判断重大故障,并发出逃逸指令,以保证航天员的生命安全。
先进的FPGA芯片 提高系统可靠性
此外,以往型号中大量使用专用集成电路芯片,使得元器件品种多、数量多,不仅带来箭机体积大、成本高、可维护性低的问题,可靠性也随之降低。改进型长二F箭载计算机采用先进的FPGA芯片,将很多专用集成电路芯片的功能通过软件编程来实现,在提高系统可靠性之余,还减小了体积,降低了重量,节约了成本。
二、天宫二号“大脑”中央处理单元由所研制生产
中央处理单元——“天宫二号”的“大脑”
天宫二号顺利发射升空后,如何确保在太空中正确有效地处理各种数据?如何确保将在太空中采集到的数据传送回地面?又如何确保地面发送的每个指令都   能让航天员接收并处理?要解决这三个“确保”,就不得不提所研制的中央处理单元。

对于天宫二号来说,这个中央处理单元可是担负着“大脑”的重任。中央处理单元的工作原理是,通过指令级同步技术,将“大脑”发出的指令误差大幅度降低,从而实现更加精准的控制。同时,地面技术人员还可以随时监控“大脑”的运行状态,通过高速数据交换技术,简化飞行软件设计的复杂度,从而提高运行效率。
医学信息管理主机——航天员的“贴身小护士”
2011年,航天员在天宫一号进行空间实验航天员要在太空中生存并进行科研试验活动,首先必须有一个舒适安全的工作和生活环境,因此要对航天员的生理参数进行有效监测,确保航天员各项生理指标正常。航天员训练中
试想一下,如果突然把人体的生物钟拨快16倍,将是怎样一种情况?此外,在太空中微重力的影响下,人体的方位感荡然无存,这要比晕车还还难受百倍。航天员虽然经过训练,但是面对这样复杂恶劣的环境,健康一旦出现状况,而又没有医生现场治疗,该怎么办?所研制的医学信息管理主机产品,就担负着航天员“贴身小护士”的角色。
可别小看这个医学信息管理主机产品,在太空高温、低温、高真空、高辐射环境下运行的飞船上,人类任何普通的活动都会变得异常复杂。该医学信息管理主机产品与航天员的生理信号测试盒相连,对每名航天员的心电、呼吸、体温信号进行接收、存储、处理,并向空间实验室进行传输,同时监控着血压测量仪传输的航天员血压数据。
不仅如此,这个贴心的“小护士”还与便携式运动肺功能仪、医监生化检测装置、微生物检测装置、无创心功能检测仪、动态心电数据读取装置相连,收集宇航员在太空中的的医学检查数据,为后续科学家进一步研究航天员心功能、运动肺功能和体液生化指标等医学信息做数据参考。
便携式手操作力测量设备——航天员的“健身器
航天员一旦进入太空,真正的考验才刚刚开始。俗话说:“天上一日,人间十年。”在太空中,飞船每90分钟就绕地球一周,相当于地面上一个昼夜。而人体由于长时间待在地面上,日出而作、日落而息,已经形成了固定的生物钟。这时,人体各个机能就会发生变化,但怎样知道发生如何的变化呢?
这就需要航天员的“健身器”——所设计生产的身材迷你的健身器,功能可是一点都不迷你。航天员从包内取出进行组装,无需安装固定就可以在太空中可测量指捏力、手握力、推拉力、双手插拔力和双手旋转力矩。航天员在飞行舱内,为了保持肌肉各种机能的稳定,就必须在太空中,利用这个小巧的健身器,保持肌肉的稳定度。健身器可以将测试结果通过数据采集盒前面板上的显示屏进行显示,同时存储在SD卡中,待太空舱返回时,将测量数据带回分析,为日后开展太空活动提供有力的数据支撑。
力测量装置——连接空间实验室里的“跑步机”
跑步机是家庭及健身房常备的器材,也是家庭健身器材中最简单的一种。在天宫二号内,也同样有所专门为宇航员定制的“跑步机”。与家用跑步机相比,这台“跑步机”功能要强大很多。机身上连接了多路传感器,航天员在“跑步机”上运动的同时,传感器就采集到了航天员身体各个部位产生的各种力。力测量装置采集后对信号进行调理、放大,经处理器处理后存储于SD卡中待航天员返回地面时,带回SD卡,在计算机上就可以读出测试的数据,为分析“跑步机”的使用性能提供客观依据。(运载部、宇航部 党工部)

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