用于航天器部件地面分离、展开试验的真空高速摄像系统的制作方法

本发明属于航天器地面真空分离、展开试验技术领域，具体涉及到一种用于航天器部件地面分离、展开试验的摄像系统。

背景技术：

随着我国航天器型号研制要求不断提高，越来越多的型号提出了需要在真空等特殊环境下进行视频监视的需求，尤其对于在轨快速展开、解锁的整流罩、爆炸解锁装置等，提出了在真空下以大视角对试件全尺寸以500fps以上的帧率进行高速摄像的需求。

由于航天器分离展开试验的一般速度可达5m/s以上，试验工况时间一般为1s以内，为了减小地面空气阻力的影响，通常在航天器环模设备内进行，其内部维持1Pa以下的真空环境。在这种环境下，常规高速摄像的使用存在如下问题：

a)镜头内部油润滑剂挥发凝结于镜片产生污染，导致画面清晰度变差；

b)LED及相机本体散热变差，由对流为主的散热方式变为由辐射为主，产生过热甚至烧坏的问题；

c)相机电子元器件在低压下可能产生低气压放电。

当使用常压密封工装对高速摄像机进行密封，以保证相机不受真空影响时，其又存在如下问题：

通常高速摄像机为可更换镜头设计，镜头一般为手动调节，不具备在远程进行变焦、对焦、光圈调节的功能，这就导致了当相机安装于工装内后，操作人员无法再对其进行调整，尤其对于整流罩等大型试验，工装往往需 要安装于环模设备顶部，操作人员很难在安装前设定镜头参数，导致需要多次拆装设备以调整镜头参数。

目前，关于真空下摄像系统已有中国专利“CN201410236278热真空环境专用数字高清网络摄像机及其系统”和中国“CN201310232470一种适用于真空、深冷环境的摄像系统”，这两种专利主要针对在真空低温系统下对试件进行高清(720P以上)，低速(一般低于30Fps)的监视及录制，不具备500fps以上的录制能力，仅将相机进行更换后亦无法满足高速摄像机电动镜头远程再变焦、对焦的要求，灵活性较低，需要针对每次试验进行定制，无法满足现在以整流罩、气球展开灯为代表的各种航天器真空分离展开试验。

因此，设计和发明一种可以应用于真空环境、可实现完全远端操作的高速摄像系统具有积极的现实意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可以应用于真空环境的高速摄像系统，旨在满足航天器真空分离与展开试验容器内高速摄像需求，同时满足远程操作、现场调试等需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于真空环境模拟设备的真空高速摄像系统，包括设置真空环境模拟设备内的摄像机密封舱体和设置在模拟设备外的镜头控制终端、千兆以太网交换机、程控直流电源、控制装置，摄像机密封舱体一端密封设置石英玻璃，另一端通过气密保护工装进行密封设置，摄像机密封舱体内沿着舱体中心轴线依次设置远程电动三可变镜头和高速摄像机，远程电动三可变镜头连接线路与高速摄像机连接线路密封穿过摄像机密封舱体另一端上的气密保护工装并再次密封穿过真空环境模拟设备上的气密保护工装，分别与镜头控制终端、千兆以太网交换机电连接，千兆以太网交换机电连接控制装置，摄像机密封舱体周围设置有并列的若干组大功率LED灯阵列，以便为摄像机密封舱体内部照明； 程控直流电源对千兆以太网交换机供电并通过电缆为LED灯阵列供电，镜头控制终端对远程电动三可变镜头进行直接控制，控制装置远程对相机的各参数进行控制并远程对LED灯阵进行开关。

其中，气密保护工装由三组气密电连接器组构成，以保证真空环境模拟设备和高速摄像机舱体的漏率要求。

其中，高速摄像机为标准可换镜头高速摄像机；远程电动三可变镜头提供远程对高速摄像机的焦距、光圈、对焦的操作能力。

其中，石英玻璃通过前置法兰进行气密压紧；高速摄像机舱体上的三组气密电连接器组插接在密封筒后法兰上进行密封。

其中，高速摄像机还通过视频线缆连接电路电连接调试用显示器。

其中，远程电动三可变镜头采用手动控制，使用六线连接，通过两线供电，四线控制分别从气密的真空环境模拟设备上的电连接器组引出，与真空环境模拟设备外的镜头控制终端电连接。

其中，LED灯阵由多组LED灯组成，分离展开试验开始时通过远程启动，试验后关闭以防止烧毁。

其中，LED灯阵为环形大功率LED阵列，包括增强换热的铝制电路板和排布在铝制电路板上的若干LED阵列。

本发明的高摄像系统安全性好、灵活性高、故障率低，可以满足在真空环境下整流罩分离、爆炸解锁展开等特殊试验的监视、回放需求，提高了航天器特殊试验的可视化水平。

附图说明

图1是本发明的用于真空环境模拟设备的真空高速摄像系统的结构示意图，其中，101为真空环境模拟设备，内部为真空环境，外部为常温、常压环境；102为摄像机密封舱体，内部为常压环境，外部为真空环境；103为石英玻璃；104为高速摄像机；105为电动镜头；106为密封筒后法兰，提供了密封插 头安装功能；107为电动镜头连接线路；108为相机连接线路；109为视频线缆连接链路；110为调试用显示器；111、112、113为气密电连接器组，可以保证容器的漏率要求；114为LED灯供电电缆；115为大功率LED灯阵列；116为镜头控制终端；117为千兆以太网交换机；118为程控直流电源；119为控制装置。

图2为本发明的用于真空环境模拟设备的真空高速摄像系统中的气密保护工装的剖面原理图，图中201为前法兰，

图3为本发明的用于真空环境模拟设备的真空高速摄像系统中电连接器接点图，如图中104为高速摄像机，105为电动镜头，111为电连接器，301为千兆以太网线，302为高速相机供电，303为视频同轴电缆，304为镜头控制电缆，305为镜头供电线路，306为LED供电线缆。

图4为本发明的用于真空环境模拟设备的真空高速摄像系统中一具体实施方式的环形大功率LED阵列示意图，其中1为铝制电路板，2为安装线槽，3为大功率LED，4为固定螺栓孔。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的用于真空环境模拟设备的真空摄像系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

如图1是本发明真空高速摄像系统的原理图，如图中所示101为真空环境模拟设备，内部为真空环境(<10-3Pa)，外部为常温、常压环境，其中摄像机舱体102、舱外LED阵列115等可安装于其舱内，千兆交换机117、程控直流电源118、控制电脑119等安装于舱外；102为摄像机密封舱体，内部为常压环境，外部为真空环境，漏率小于10^-7Pa·L/S；103为筒体前端石英玻璃，通过前置法兰进行压紧；104为高速摄像机,为标准可换镜头高速摄像机；105为电动镜头,提供远程对相机焦距、光圈、对焦的操作能力；106为密封筒后法兰，提供了密封插头安装功能；107为电动镜头连接线路，含电动镜头供电线两根，控制线4根；108为相机连接线路，含以太网线路8根，供电线路两根；109为视频线缆连接链路，使用同轴电缆连接；110为内置电池的调试用显示器， 可方便现场安装人员进行调试；111、112、113为气密电连接器组，可以保证容器的漏率要求，其中111插头型号为Y27-2237TK1L,工作于常压端，112插座固定在106密封筒后法兰上和真空容器穿墙法兰上，型号为Y27-2237ZB4M，113插头为Y27-2237TK1LW，工作于真空端；114为LED灯供电电缆；115为大功率LED灯阵列，由控制终端进行直接控制；116为镜头控制终端，提供对镜头的变焦、对焦、光圈控制能力；117为千兆以太网交换机，提供系统的交互连接能力；118为程控直流电源(提供对LED灯阵的供电)；119为控制计算机，可对高速摄像机、LED灯阵进行控制。

如图2为相机局部剖面结构原理图，其中密封舱体102与试验中工装直接固定，前法兰201与密封舱体102通过螺栓锁紧，在前法兰201与石英玻璃103间、密封舱体102与石英玻璃103间分别具有密封圈，密封舱体102与后法兰106间通过螺栓锁紧，其间具有密封圈，112插座通过螺钉固定于后法兰106上，内部具有密封圈，高速摄像机104、电动镜头105、内置LED阵列115固定于密封舱体102内，并通过线缆连接至电连接器111上。

如图3为密封舱体内部至环模设备外部的电连接关系图，其中111a、112a、113a为密封舱体用电连接器，111b、112b、113b为环模设备穿舱法兰用电联机器，如图中所示301为千兆以太网连接线，左端为标准8针RJ45接头，连接至相机，右端焊接至舱体内电连接器111a的1-8芯，提供了对相机的远程控制、数据读取等连接，302为相机供电线路，左侧为雷默电连接器，连接至相机，右端焊接至舱体内电连接器111a的9-10芯，303为同轴电缆，左端为视频插头(与摄像机机身端口一致)，右端焊接至舱内电连接器111a的11-12芯。线缆301、302、303完成了相机的数据传输、控制、预览、供电功能。线缆304为镜头105的控制线缆，分别为光圈、对焦、变焦控制线及共用地线，左侧与电动镜头连接，右侧焊接至舱体内电连接器111a的21-24芯，线缆305为相机镜头供电线缆，左侧与电动镜头连接，右侧焊接至舱体内电连接器111a的25-26芯，304与305镜头完成对镜头的控制与供电功能，均为使用镜头端现有接口， 并具有扩展为6芯控制线的可行性(光圈、变焦、对焦各两根线)，306为密封舱体内LED供电线路，具有对3路LED的供电能力，左侧直接焊接至LED电路板，右侧焊接至舱体内电连接器111a的31-36芯。电连接器111a、112a、11a3内芯为一一对应，连接后将电信号传到至密封舱外电连接器113a，电连接器113a的11-12针连接至同轴电缆109，可根据需要连接至现场显示器110，其他线缆使用耐真空低温环境聚四氟乙烯电缆，连接至外部对应113b电连接器，113b、112b、111b对接后，将电信号传输真空环模设备外部电连接器111b，其中1-8针焊接至网线，连接到千兆以太网交换机，9-10针连接至相机用程控直流电源，21-24连接至电动镜头控制终端，25-26连接至电动镜头用程控直流电源，31-36连接至LED阵列用程控电源，如图中仅给出电路的连接关系，并不限制电缆的长度、电缆的定制及整合等。

如图4为本发明的用于真空环境模拟设备的真空高速摄像系统中一具体实施方式的环形大功率LED阵列示意图，其中1为铝制电路板，提供LED 3的固定与散热功能，2为线槽，用于将电路板供电线路连接至密封筒体后方的电连接器，3为LED，固定于电路板1上，4为安装螺栓孔，用于将整体固定于筒体或其他工装上。

在航天器部件分离展开试验中，具体实施需要经过如下步骤：

根据试件及试验容器位置、大小等参数选择真空高速摄像系统在容器内安装位置；

确定容器气密性，必要时可移除相机对容器进行检漏，确保漏率低于10^-7Pa·L/S；

安装高速摄像系统，连接图1、图3所示电连接器111、113，安装线缆107、108，连接舱外的程控直流电源118，千兆交换机117，镜头控制终端116，控制计算机119，安装现场显示器110，观察视角是否能满足试验要求，如能满足，则固定系统连接，若无法满足，则应当调整系统安装位置及角度；

拆除现场显示器，根据需要安装舱外LED阵列，使用远程控制台116对镜 头进行变焦、对焦、光圈调整，确保链路完好；

试验前总检；

试验抽真空；

高速摄像系统开机、LED灯调整至最大亮度、系统开始录像；

分离展开试验开始；

关闭LED灯阵列，开始由相机传送试验照片至计算机；

试验停机，容器复压，设备断电；

试验撤收。

目前北京卫星环境工程研究所已经使用该套设备进行了多次试验，解决了整流罩分离、气球展开试验中的观测问题。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。