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,。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,。
二是圖像壓縮技術的發(fā)展。
存儲開銷低（適合機載條件）,、實時性強（時延?。⒒謴蛨D像質(zhì)量好（失真?。┑母弑兑曨l數(shù)字壓縮編碼技術有不少進步,。
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,，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備,。
目前4K、8K視頻技術在不少領域應用,，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?！彼f,，“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)的設備布局,，尤其是艙內(nèi)攝像頭這種不涉及核心技術問題的設備?！?/p>
其實我們并非沒有相關技術：
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）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)同技術中心（超高清視頻制作技術協(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的話,，何樂而不為,。
我們也相信在將來，隨著航天技術的不斷發(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。
