神舟十二號飛天｜扒一扒火箭上的攝像頭：有多少？裝在哪？有何用？

每一幅傳回地面的圖像背后，都是中國航天人的付出。

2021年6月17日，神舟十二號載人飛船發(fā)射成功。

神舟十二號載人飛船在長征2F運載火箭的托舉下，以一往無前之勢沖入澄澈霄漢。

根據(jù)中國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載人飛船前往空間站天和核心艙。按計劃，他們將在太空駐留長達三個月。

舉國上下觀看了發(fā)射升空震撼一幕，火箭各個分離動作一目了然、盡收眼底，未來，我們也將看到航天員們在飛船上的一舉一動。

你是否會好奇，火箭上有多少個攝像頭，它們都裝在哪，除了讓我們一飽眼福，還有什么作用？

攝像頭：中國長征家族系列火箭標配之路

國人第一次感受到中國火箭升空一霎那、各助推器分離的視覺沖擊，是在16年前。

2005年10月12日，神舟六號發(fā)射，火箭上的攝像頭拍下了從點火到船箭分離的全過程。

在火箭上安裝攝像頭并實時傳輸圖像，不僅是中國載人航天發(fā)射的首次，在中國所有航天發(fā)射的運載火箭上也是第一次。

這個「第一次」，得益于兩個方面的發(fā)展：

一是遙感技術(shù)。前五次“神箭”的成功發(fā)射經(jīng)驗積累上，中國在遙測參數(shù)上進行優(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參數(shù)在發(fā)射時同步傳輸給地面。

二是圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展。

存儲開銷低(適合機載條件)、實時性強(時延小)、恢復圖像質(zhì)量好(失真小)的高倍視頻數(shù)字壓縮編碼技術(shù)有不少進步。

神舟六號的箭體上裝載了兩個攝像頭，之后，神舟七號飛船發(fā)射任務的長征二號Ｆ型火箭加裝了第三個攝像頭。

此后，火箭上的攝像頭越來越多。

中國運載火箭技術(shù)研究院所屬北京宇航系統(tǒng)工程研究所圖像測量系統(tǒng)主任設(shè)計師馮輝介紹，一枚火箭，少則有兩三個，多則十幾個，甚至數(shù)十個攝像頭，如長二丙火箭有2個攝像頭，長三甲火箭有3個攝像頭，我國新一代運載火箭長征七號有11個攝像頭，長征五號火箭則有20個攝像頭。

那么，攝像頭都安裝在哪里？

神舟六號箭體上的兩個攝像頭，分別安裝在整流罩內(nèi)和火箭二級芯體中間部位，火箭發(fā)射升空過程中，兩個攝像頭可對助推器分離、一二級分離、整流罩分離、箭船分離等動作進行跟蹤拍攝，并實時傳輸?shù)降孛妗?/p>

長征五號，我們看到的助推器視角的攝像機如下圖紅圈處，在二級中部，共4個，均勻分布。

圖片來源：見圖中標注

2016年，長征七號運載火箭搭載了11個攝像頭。

4個助推器的發(fā)動機尾艙各裝一個，一級尾艙2個，二級儀器艙外壁3個，二級尾艙2個。

圖片來源：CCTV 13

不知不覺中，我們已經(jīng)通過視頻見證了火箭發(fā)射升空畫面16年。

從無到有，從有到多，中國航空航天技術(shù)日新月異，從火箭上傳送回來的畫面越來越多，角度越來越豐富，而攝像頭，也逐漸成為中國運載火箭的標配。

這些攝像頭都發(fā)揮什么作用？

攝像頭也叫圖像實時測量系統(tǒng)，它們主要的職責就是監(jiān)視火箭飛行過程中的關(guān)鍵分離動作，包括助推器分離、級間分離、星箭分離等。

火箭內(nèi)部的發(fā)動機工作情況和數(shù)據(jù)指標等，都需要由攝像頭提供第一手的畫面監(jiān)控。

比如上面提到的神舟六號發(fā)射時，運載火箭上安裝的第三個攝像頭，承擔了四個重任：

1、監(jiān)測主發(fā)動機工作情況

2、監(jiān)測4個游機的擺動情況

3、監(jiān)測二級尾艙的熱情況

4、監(jiān)測二級增壓管路做‘鋁改鋼’技術(shù)改進后的效果

長征七號攝像頭達11個，可執(zhí)行的任務也更多。

比如分別位于助推器和一級尾艙的攝像頭，用于監(jiān)測飛行過程中尾艙內(nèi)的發(fā)動機和伺服機構(gòu)，以及相應尾艙內(nèi)的環(huán)境。

二級儀器艙外壁攝像頭，觀測飛行過程中助推器分離和一級分離動作。

僅僅有可見光的攝像頭還不夠，由于火箭對溫度高度敏感，這就需要紅外攝像頭配合掌握它的實時情況。

在二級尾艙的兩個攝像頭裝置，一個是可見光，一個是紅外，也是為了觀察級間分離的過程。

紅外裝置可以監(jiān)視二級發(fā)動機在工作過程中整個溫度場分布，還有一個在整流罩內(nèi)部，位于飛船支架上，觀測飛行過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問題就是成本。

在光學組件生產(chǎn)工藝上，設(shè)計師用整機測試體嗲零部件測試，降低測試費用；

在管理模式上，用組批訂貨、組批生產(chǎn)、組批驗收的產(chǎn)品化管理模式，讓成本降低了60%。

此外是所處環(huán)境。

為了保證對火箭的全程監(jiān)控，在火箭不同位置各司其職，其實也是全副武裝。

神舟六號運載火箭中，二級尾艙有5個發(fā)動機，溫度高、震動大、亮度強，工作環(huán)境十分惡劣，對攝像頭提出極高的要求。

對于機身，因冷熱突變，需要對攝像機整個機身進行防熱和抗振處理，以及保溫措施。

對于鏡片，需要采用耐高溫材料，比如長征二號Ｆ型火箭采用的就是抗高溫的石英玻璃片做鏡頭；

對于拍攝過程，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，長征二號Ｆ型火箭攝像頭裝配了能夠隨亮度自動調(diào)整的濾光片。

而對于飛行中整流罩拋罩前后光線的明暗變化、箭體轉(zhuǎn)動時可能出現(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、補充光線、提高照度來解決。

另外，在火箭艙內(nèi)的攝像頭，在周圍漆黑一片的情況下，要自帶LED光源進行補光，而艙外的攝像頭雖然不用補光，但卻需要保證攝像頭在火箭外壁上站得穩(wěn)，同時還需要一件“防熱衣”，對抗起飛后的摩擦急劇升溫。

為什么攝像機清晰度看起來很低？

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

你感覺的沒錯，據(jù)了解，目前箭載攝像頭都是標清設(shè)備。

目前4K、8K視頻技術(shù)在不少領(lǐng)域應用，為何航天航空的視頻沒有應用？

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，即助推器和二級火箭發(fā)動機附近。

火箭的作用，是提供足夠的推力，使飛船擺脫地心引力，當火箭將飛船送入大氣層，箭體完成任務后將廢棄。

此外，飛船的飛行任務結(jié)束后，返回地球中，推進艙會在大氣層中燒毀，軌道艙在軌飛行一段時間后也會進入大氣層燒毀。

這意味著安裝在飛船上的攝像頭也會在這個過程毀壞。

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、信號傳輸

視頻是由一張張圖片連接起來形成的動態(tài)圖像序列，高分辨率畫質(zhì)意味著高數(shù)據(jù)量。

若直接將每張圖片的每一個像素點數(shù)據(jù)都加以存儲和傳輸，視頻碼流所占用的帶寬將不可估量。

畫質(zhì)越好，碼率越高；碼率越高，帶寬越大；帶寬越大，傳輸越難。

高清的視頻是對信號傳輸能力巨大考驗。

雖然中國在啟用天鏈中繼衛(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。

遙測帶寬的限制下，畫質(zhì)的提升意味著要投入更多的研發(fā)成本，而這些成本對于發(fā)射任務本身，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，質(zhì)量大小是一項極其重要指標，攝像頭的要求之一是夠輕。

為了更高的畫質(zhì)導致攝像頭重量增加，運載火箭的負擔勢必也會增加。

視頻的畫質(zhì)并非必要選項，完全可以省下攝像頭的重量，放置其他更重要的東西，因此也適當放寬了對攝像頭的像素要求。

4、改動成本大

有業(yè)內(nèi)人士提到，運載火箭是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，在火箭上加任何東西，做任何改動，都要經(jīng)過全面完整的論證。

要通過電波將圖像傳回地面，就要增加電波傳輸裝置，對整流罩，對飛船的影響如何，必須全面考慮。所以在傳回地面的每一幅圖像背后，都有著許多細致入微的工作做支撐。

同樣，神舟飛船也如此。

“中國航天一直講求實用為主，所以能省的變動都省了。”他說，“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)問題的設(shè)備。”

其實我們并非沒有相關(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)過多級壓縮。

比如探月衛(wèi)星的月面全彩照（Base64加密傳輸技術(shù)）可達到單張圖片20G左右、分辨率70000*120000左右，更有航天攝像機達到了億級像素。

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）與中國衛(wèi)通集團等單位，在中國衛(wèi)通北京地球站成功完成了全國第一例8K超高清視頻的衛(wèi)星傳送接收測試。

目前火箭上攝像頭的畫質(zhì)，是多重因素下的綜合選擇。

當然，如果有一款畫質(zhì)好、可靠性高、能夠適應太空環(huán)境、成本低廉、重量輕的攝像機，而且有高效的信號實時傳輸技術(shù)的話，何樂而不為。

我們也相信在將來，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，火箭也能用上高清攝像頭。

中國航天，一個值得自豪的名詞

從無到有，從有到多，從火箭上傳送回來的畫面越來越多，角度越來越豐富，中國航天技術(shù)日漸發(fā)展。

近幾年，中國航空屢次取得重大進展，上火星、探月球逐一達成。

從神舟載人飛船出艙到天宮發(fā)射，從天宮實驗室到北斗導航系統(tǒng)初步形成，從嫦娥二號到嫦娥四號實現(xiàn)人類首次登月，從成功地首飛長五長七號新型火箭到國產(chǎn)500噸火箭發(fā)動機，中國航天走出一條艱辛又欣欣向榮的道路。

遙記2019年1月3日，嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面。

嫦娥四號是人類歷史上首次實現(xiàn)航天器月球背面軟著陸和巡視勘察，是首次實現(xiàn)月球背面同地球的中繼通信。

中國航天首次將“人類”兩字放到了“首次”前。

今朝的6月17日，神舟十二號與天和核心艙完成對接，中國人首次進入自己的空間站。

“自己的空間站”六個字，有太多不可思議、太多故事、太多攻堅。

當初，西方排擠中國參與國際空間站。

如今，由美國主導的國際空間站日益老化，即將退役，彼時中國的天宮空間站將是人類唯一的一個空間站。

歐美等軍事強國對中國航天的嚴格技術(shù)封鎖，一直持續(xù)到今天。

在嚴格封鎖甚至是打壓下，中國航天奮斗二十余年，自力更生，躋身第一梯隊，得今日之成就。

不得不承認，「中國航天」是一個值得自豪的名詞。

如今，中國可以在浩瀚的星辰大海乘風破浪，逐夢蒼穹。

在此，誠摯感謝一代又一代的中國航天人。