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載人飛行中,航天員會遇到超重現(xiàn)象[1]。超重分持續(xù)性超重和沖擊性超重,在飛船發(fā)射或返回過程中會發(fā)生持續(xù)性超重,作用時間至少持續(xù)幾秒鐘;在飛船返回著陸或逃逸塔救生時會發(fā)生沖擊性超重,作用時間一般在1 s以內(nèi)。當沖擊性超重值超標,特別是飛船返回著陸時的沖擊加速度值過大,可使航天員受傷或致命。因此飛船返回艙著陸沖擊加速度對航天員的生命健康有著至關重要的影響,飛船返回艙著陸沖擊因素的醫(yī)學評價對于保證航天員身體健康和生命安全具有十分重要的意義[2,3],是無人飛船醫(yī)學評價的重要內(nèi)容。我國的載人航天工程在“神舟”2號無人試驗后增加了測量飛船返回艙沖擊加速度的試驗項目,項目通過研制飛船返回艙著陸沖擊加速度測量設備,參加“神舟”3號、“神舟”4號無人飛船飛行試驗,獲取了飛船返回艙著陸沖擊加速度試驗數(shù)據(jù),回答了返回艙著陸沖擊力學參數(shù)是否滿足醫(yī)學評價要求,首飛航天員上天后能否安全返回的重大問題。 研制過程中的關鍵技術 由于該項目立項時,“神舟”3號飛船設計已經(jīng)完成,飛船系統(tǒng)無法提供本設備的供電、重量、指令觸發(fā)等技術問題,因此這些問題也就成為產(chǎn)品研制過程中首先要解決的。 設備供電船載電子產(chǎn)品工作需要電源,而設備電源來源不外乎兩種,由飛船電源系統(tǒng)供電或設備自帶電池供電。由于本項目的特殊性,其功耗未在飛船電源系統(tǒng)的最初考慮范圍內(nèi)。而且飛船返回著陸時,飛船返回艙著陸目線存在斷電動作,可能導致系統(tǒng)無法正常記錄著陸沖擊加速度值。因此必須研制專用電池組,為系統(tǒng)提供電源。電池組電源開關在飛船待發(fā)段由地面人員打開,在飛船返回地面后由地面人員關閉。 重量與設備供電問題一樣,設備重量、體積也未在飛船系統(tǒng)考慮范圍內(nèi),但任何設備不可避免地存在體積、重量。為不影響飛船重量,將我所承擔的無人飛船形體假人進行改裝、配重,將設備安裝在假人胸腔,保證整體重量滿足形體假人交付要求,設備傳感器電纜從假人頸部引出。沖擊加速度傳感器的安裝傳感器安裝位置對數(shù)據(jù)測量結果影響較大,為最真實準確地測量航天員著陸時沖擊加速度值,安裝在航天員乘坐的返回艙座椅背面,對應于航天員頭部和腰部位置。該位置是人體著陸沖擊過程中最易受傷的兩測量點,每個測量點均包括x、y、z方向。 數(shù)據(jù)存儲記錄的閾值上天產(chǎn)品的存儲空間非常寶貴,不可能一直對數(shù)據(jù)進行采集存儲。為了保證長時間的數(shù)據(jù)采集存儲,必須要降低數(shù)據(jù)采樣率。而為了盡可能地包含更多的信息,又要求數(shù)據(jù)采樣率盡可能高,根據(jù)采樣定理,至少要大于信息中最高頻率分量的2倍。系統(tǒng)設計考慮了綜合因素,設定采樣閾值,系統(tǒng)一直按照2 K采樣率對各通道數(shù)據(jù)進行采樣,小于閾值時只采樣不存儲,大于或等于閾值后,則邊采樣邊存儲。系統(tǒng)測量的準確性系統(tǒng)測量準確性問題在設計開始就予以高度重視,必須保證測量數(shù)據(jù)的準確可靠,影響測量準確性的因素包括:傳感器精度、線性度,數(shù)據(jù)采樣時的AD精度問題,地面數(shù)據(jù)處理軟件的算法等等。選用的傳感器在裝配前必須經(jīng)過校準、標定,裝配后整套系統(tǒng)還由精度更高級的類似測試系統(tǒng)進行標定,地面數(shù)據(jù)處理軟件的算法盡可能采用測試系統(tǒng)算法等等。 設備組成及工作模式 返回艙沖擊加速度測量設備主要由沖擊加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集存貯裝置、自帶專用電池組、地面數(shù)據(jù)回放處理設備和相應軟件組成,詳細系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。 
其中:沖擊加速度傳感器由變電容式單向加速度傳感器和3相安裝塊組裝而成,每3個傳感器和1個安裝塊構成1套3相傳感器組。本設備使用2套沖擊加速度傳感器組,分別安裝于座椅頭部下方位置和座椅椅盆下方位置,安裝采用螺接方式。 自帶專用電池組采用多只一次鋰/亞硫酰氯單體電池和電子元器件經(jīng)串、并聯(lián)組成,具有電壓高、工作電壓平穩(wěn)、容量大、重量輕、適用范圍廣等特點,為數(shù)據(jù)采集存貯裝置和沖擊加速度傳感器提供電源。 地面數(shù)據(jù)處理設備由RS485/232隔離轉換器、便攜式微機、地面數(shù)據(jù)處理軟件組成。地面數(shù)據(jù)處理軟件選用虛擬儀器語言軟件平臺開發(fā)而成,運行于Windows系統(tǒng)下[4]。主要完成接收數(shù)據(jù)存儲裝置存儲的采樣數(shù)據(jù)、對接收的數(shù)據(jù)進行分類、處理、輸出沖擊加速度時間歷程曲線及相應報告、對數(shù)據(jù)存儲裝置內(nèi)的存儲空間進行刷新管理等功能。 返回艙沖擊加速度測量設備的工作模式分數(shù)據(jù)采集記錄模式和數(shù)據(jù)回放處理模式,兩種工作模式的轉換由地面數(shù)據(jù)處理設備控制。當返回艙沖擊加速度測量設備在待發(fā)段打開電源開關后,返回艙沖擊加速度測量設備為數(shù)據(jù)采集記錄模式。軟件開始計時,并采集2個測量點x、y、z方向沖擊加速度,每30 s記錄此時刻2個測量點x、y、z方向沖擊加速度測量數(shù)據(jù)及時間。當沖擊加速度絕對值大于閾值,則記錄此時刻一定時間長度2個測量點x、y、z方向沖擊加速度測量數(shù)據(jù),當閾值再出現(xiàn)時,再記錄此時刻前后時段的飛船沖擊加速度數(shù)據(jù),直到飛船著陸電源關閉或存貯空間使用完畢。返回艙沖擊加速度測量設備與地面數(shù)據(jù)處理設備聯(lián)接時處于數(shù)據(jù)回放處理模式,采用RS485接口協(xié)議回放存儲數(shù)據(jù)?；胤沤Y束后,由地面數(shù)據(jù)處理軟件對接收到的沖擊加速度數(shù)據(jù)進行處理。在數(shù)據(jù)回放處理模式下,還可以對返回艙沖擊加速度測量設備中的數(shù)據(jù)存貯器進行刷新管理。 數(shù)據(jù)采集存儲裝置的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集存儲裝置是返回艙沖擊加速度測量設備的核心裝置。該裝置主要由微處理器、程序存貯器、數(shù)據(jù)緩存器、Flash數(shù)據(jù)存貯器、A/D轉換器和地址譯碼器等組成[5](圖2)。 
數(shù)據(jù)采集存儲裝置內(nèi)裝數(shù)據(jù)測量軟件和數(shù)據(jù)回放軟件,軟件以微處理器為運行平臺,各占E-PROM存儲空間的一半,物理上實現(xiàn)硬隔離,由地面數(shù)據(jù)處理設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄模式和數(shù)據(jù)回放處理模式的切換。其中數(shù)據(jù)測量軟件主要完成數(shù)據(jù)采樣、閾值判斷、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)計時等功能,數(shù)據(jù)回放軟件主要完成存儲數(shù)據(jù)回放、存儲空間刷新等功能。 設備應用情況 飛船返回艙沖擊加速度測量設備參加了“神舟”3號和“神舟”4號飛船飛行試驗任務,該設備成功地記錄了飛船返回著陸段時的沖擊加速度值,同時完整捕獲了飛船上升段拋逃逸塔、拋整流罩,返回著陸段推返分離、軌返分離、座椅提升等事件發(fā)生時的加速度變化情況。所記錄的沖擊加速度事件及數(shù)據(jù),為飛船醫(yī)學評價人員對我國“神舟”號無人飛船沖擊因素的相關評價提供了重要、客觀的證據(jù)。 摘自：中國計量測控網(wǎng)
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