Электронный экран визира

Устройство относится к области средств наблюдения за окружающей обстановкой, а именно к оптико-электронным средствам транспортного пилотируемого корабля, используемым при выполнении таких динамических операций как сближение, причаливание, перестыковка и расстыковка транспортных пилотируемых кораблей с орбитальной станцией.
На транспортных пилотируемых кораблях серии «Союз» используется визир специального комплекса ВСК4 [https://www.energia.ru/ru/iss/soyuz-tma-m/soyuz-tma-m.html]. ВСК4 представляет собой оптический визир, состоящий из двух частей, монтируемых на иллюминатор спускаемого аппарата транспортного пилотируемого корабля серии «Союз» с внешней (наружная часть) и внутренней (кабинная часть) сторон. Кабинная часть ВСК4 включает в себя корпус, в оконечной (окулярной) части которого устанавливаются экраны.
Известны экраны следующих типов: линзовый, рассеивающий (матовый), голографический [Учебное пособие «Оптико-визуальные приборы транспортного пилотируемого корабля «Союз МС», Т.В. Марченкова, ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», Звездный городок, 2015].
Линзовый экран выполнен несъемным и составляет часть конструкции ВСК4. Он предназначен для наблюдения слабоосвещенных объектов из выходного зрачка. Выходной зрачок расположен на оптической оси визира и удален на расстояние 750±50 мм от торца экрана. На линзовом экране нанесена вращающаяся сетка с курсовой чертой и неподвижная шкала от 0 до 360° с шагом 1°. Вращение при необходимости выполняет космонавт.
Рассеивающий (матовый) экран выполнен в съемном варианте и устанавливается поверх линзового на специальные места крепления. Он предназначен для наблюдения объектов, освещенных Солнцем. Наблюдения могут производиться из зоны ≤26° от нормали к плоскости экрана с любого расстояния. В связи с тем, что через рассеивающий экран сетку с курсовой чертой линзового экрана наблюдать невозможно, рассеивающий экран имеет свою сетку и курсовую черту. При космонавт может повернуть только курсовую черту, сетка на рассеивающем экране выполнена неподвижной.
Голографический экран выполнен в съемном варианте и устанавливается, как и рассеивающий, поверх линзового. Он предназначен для разделения изображения, формируемого ВСК4, на 2 потока для обеспечения наблюдения командиром корабля и одним из бортинженеров, причем световой поток для бортинженера сильно ослаблен. Через голографический экран можно наблюдать сетку и курсовую черту линзового экрана. Из органов управления на нем есть только рукоятки, вращением которых можно обеспечить наблюдение формируемого изображения одному из бортинженеров.
Общим недостатком перечисленных экранов является то, что работу с формируемым в ВСК4 изображением может выполнять только тот космонавт, который осуществляет в настоящий момент операторскую деятельность. Это приводит к отсутствию объективного контроля, позволяющего проанализировать его действия. Другим недостатком является необходимость смены экранов в зависимости от условий освещенности.
Цель разработки - расширение номенклатуры накладных экранов, позволяющих расширить функциональные возможности визира.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении функциональных возможностей ВСК4 в космическом полете.
Технический результат от решения данной задачи заключается в получении оцифрованного изображения, сформированного в ВСК4, при этом изменения в конструкцию и принципы работы визира не вносятся.
Поставленная цель достигается за счет того, что в состав ВСК4 вводится дополнительный электронный экран, который состоит из корпуса экрана, выполненного в виде цилиндра с осевым отверстием посередине, диаметр которого соответствует размерам центральной оптической системы визира, на основании цилиндра равномерно по кругу расположены восемь окон, выполненных в форме прямоугольника со скругленными углами каждое, для работы с периферийной оптической системой, в объем осевого отверстия вмонтированы последовательно соединенные блок питания, блок оцифровки изображения, блок обработки и управления, блок вывода информации, на внешней поверхности корпуса экрана установлены две защелки для фиксации на визире, кнопка включения/отключения, разъем для подключения внешнего источника питания, при этом блок оцифровки изображения и блок вывода информации расположены в противоположных основаниях корпуса экрана и каждый ориентирован фронтальной поверхностью в наружную сторону, блок обработки и управления и блок питания расположены в пространстве внутри цилиндра между блоками оцифровки изображения и вывода информации, разъем для подключения внешнего источника питания и кнопка включения/отключения подключены к первому и второму входам блока питания соответственно, второй и третий выходы блока питания подключены ко вторым входам блока обработки и управления и блока вывода информации соответственно, второй выход блока обработки и управления подключен ко второму входу блока оцифровки изображения.
На фиг. 1 представлен внешний вид электронного экрана с фронта, с тыла, а также вид снизу (со стороны размещения разъемов), где изображено: корпус экрана (1); окна (2) для работы с периферийной оптической системой ВСК4; защелки (3) для фиксации; кнопка включения/отключения (4); разъем для подключения внешнего источника питания (5); блок оцифровки изображения (6); блок вывода информации (7).
На фиг. 2 представлено расположение блоков в разрезе экрана по оси А-А где изображено: корпус экрана (1); окна (2) для работы с периферийной оптической системой ВСК4; блок оцифровки изображения (6); блок вывода информации (7); блок обработки и управления (8); блок питания (9). Блок обработки и управления (8) и блок питания (9) располагаются между блоком оцифровки изображения (6) и блоком вывода информации (7). Все блоки располагаются внутри центральной части корпуса экрана.
На фиг. 3 представлена функциональная схема электронного экрана, где изображено: 4 - кнопка включения/отключения; 5 - разъем для подключения внешнего источника питания; блок 6 - блок оцифровки изображения; блок 7 - блок вывода информации; блок 8 - блок обработки и управления; блок 9 - блок питания.
1 - корпус экрана является силовой конструкцией и предназначен для размещения в нем оборудования электронного экрана. Корпус экрана представляет собой цилиндр с осевым отверстием посередине, диаметр которого соответствует размерам центральной оптической системы визира, на основании цилиндра равномерно по кругу расположены восемь окон (2) для работы с периферийной оптической системой ВСК4, в объем осевого отверстия вмонтированы электронные блоки, а на внешней образующей цилиндра расположены разъемы и защелки фиксации. Корпус экрана может быть выполнен в виде литой детали или выточен из металла. Размеры корпуса экрана соответствуют размерам штатного места крепления экранов визира.
2 - окна для работы с периферийной оптической системой ВСК4 предназначены для обеспечения работы космонавта с периферийной оптической системой ВСК4. Они представляют собой сквозные отверстия прямоугольной формы со скругленными углами, выполненные в корпусе экрана на соответствующих местах расположения окон периферийной системы на линзовом экране.
3 - защелки для фиксации экрана предназначены для обеспечения фиксации электронного экрана на штатных местах крепления экранов ВСК4, по конструкции повторяют защелки, использующиеся на рассеивающем и голографическом экранах. Защелки выполнены из металла.
4 - кнопка включения/отключения предназначена для обеспечения включения и отключения электронного экрана. Кнопка соединена с блоком питания (9) и расположена внизу в торце корпуса экрана.
5 - разъем для подключения внешнего источника питания предназначен для обеспечения подключения к электронному экрану внешнего источника питания. Разъем соединен с блоком питания (9) и расположен внизу в торце корпуса экрана.
6 - блок оцифровки изображения предназначен для преобразования изображения, формируемого центральной оптической системой ВСК4, в цифровой вид. На входы блока 6 поступают:
напряжение питания с блока 9;
сигналы управления (настройки) с блока 8.
С выхода блока 6 поступает оцифрованное изображение на вход блока 8.
Конструктивно блок оцифровки изображения состоит из ПЗС матрицы, ориентированной фронтальной (рабочей) поверхностью в сторону линзового экрана ВСК4, защитного фильтра для ПЗС матрицы, установленного перед рабочей поверхностью ПЗС матрицы, аналогово-цифрового преобразователя.
7 - блок вывода информации предназначен для отображения космонавту (оператору) оцифрованного изображения центральной оптической системы ВСК4. На входы блока 6 поступают:
напряжение питания с блока 9;
обработанное изображение с блока 8.
Конструктивно блок ввода/вывода информации 7 представляет собой жидкокристаллический экран.
8 - блок обработки и управления предназначен для управления оцифровкой изображения, формируемого в ВСК4, его обработки, формирования изображения для отображения космонавту (оператору). На входы блока 8 поступают:
оцифрованное изображение с выхода блока 6;
напряжение питания с блока 9.
С выхода блока 8 поступают:
оцифрованное изображение, для отображения космонавту на блок 7;
сигналы управления (настройки) на блок 6.
Конструктивно блок обработки и управления 8 представляет собой микропроцессор с оперативной и постоянной памятью, устройствами сопряжения с блоками 6 и 7, размещенный на печатной плате.
9 - блок питания предназначен для обеспечения автономного питания экрана от внутреннего аккумулятора и для подключения внешнего источника питания. На вход блок 9 поступает напряжение от внешнего источника питания через разъем 5. С выходов блока 9 поступает преобразованное напряжение питания для блоков 6, 7 и 8. Для управления включением и отключением к блоку питания 9 подключена кнопка включения/отключения (4).
Конструктивно блок питания 9 представляет собой контроллер питания, выполненный на печатной плате, и аккумуляторную батарею с контроллером заряда.
Функционирование электронного экрана происходит следующим образом. Космонавт устанавливает электронный экран на ВСК4 и включает его кнопкой (4) «Включение/отключение». После включения на экране блока вывода информации (7) наблюдается оцифрованное блоком оцифровки изображения (6) и обработанное (выполняется сглаживание, выделение объектов из фоновой части, выделение границ, коррекция яркости и контрастности и т.д.) блоком обработки и управления (8) изображение, формируемое центральной оптической системой ВСК4. Для получения необходимого уровня сигнала изображения блок обработки и управления (8) оценивает оцифрованное изображение и выдает на блок оцифровки изображения (6) сигналы управления на увеличение или ослабление усиления матрицы ПЗС. При сближении космического аппарата со станцией осуществляется проведение дополнительной обработки полученного оцифрованного изображения, определение параметров относительного движения и отображение результатов обработки на экране блока вывода информации (7). После выполнения динамических этапов завершается работа с электронным экраном, производится отключение экрана нажатием кнопки (4) включение/отключение. Электронный экран работает автономно от встроенного аккумулятора. При необходимости (например, в случае разряда аккумулятора) его можно подключить к внешнему источнику питания через разъем 5, который штатно используется для зарядки аккумулятора блока питания.
Использование электронного экрана позволит:
расширить номенклатуру накладных экранов ВСК4;
преобразовать изображение формируемое в ВСК4 в цифровой вид и отобразить его космонавту, непосредственно работающему с визиром;
космонавтам, не работающим непосредственно с визиром, наблюдать за изображением в ВСК4.
Разработанное устройство расширяет номенклатуру накладных экранов, используемых при работе оптического визира, что позволяет расширить функциональные возможности визира без изменения конструкции и принципов работы визира, чем достигается поставленная цель.