神舟飛船出艙活動(dòng)故障模式和對(duì)策的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

于 瀟 馬曉兵 茍仲秋

(中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)

1 引言

突破出艙活動(dòng)技術(shù)是我國(guó)載人航天工程第二階段戰(zhàn)略的第一步。按照我國(guó)載人航天工程任務(wù)安排,神舟七號(hào)飛船乘載3 名航天員,執(zhí)行空間出艙活動(dòng)任務(wù),突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù),進(jìn)行衛(wèi)星中繼終端搭載試驗(yàn)[1]。

出艙活動(dòng)任務(wù)復(fù)雜,具有飛行事件多、航天員操作事件與指令程序匹配邏輯關(guān)系強(qiáng)的特點(diǎn)[2-5]。為確保航天員安全和出艙活動(dòng)任務(wù)的可靠性,以正常出艙活動(dòng)程序飛行事件為線索,對(duì)影響出艙活動(dòng)任務(wù)成敗的事件,分別按照時(shí)域和空域進(jìn)行功能分析,在綜合出艙活動(dòng)故障樹(shù)分析(FTA)和失效模式與影響分析(FMEA)[6-9]結(jié)果基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了多種出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策和出艙活動(dòng)應(yīng)急飛行程序,對(duì)出艙活動(dòng)的成功完成發(fā)揮了重要的保障作用。

2 出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策的設(shè)計(jì)方法

出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策設(shè)計(jì)與神舟飛船的功能和飛行任務(wù)緊密相關(guān),出艙活動(dòng)核心程序雖為串行操作事件,但對(duì)操作的時(shí)序性和任務(wù)時(shí)間的匹配性要求高,關(guān)鍵事件未能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成,將可能直接導(dǎo)致出艙活動(dòng)的中止甚至無(wú)法進(jìn)行。為提高出艙活動(dòng)可靠性,本文提出了以飛行事件分析為基礎(chǔ)的出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策的設(shè)計(jì)方法,其設(shè)計(jì)思想如下:

1)進(jìn)行出艙活動(dòng)飛行事件劃分。將出艙活動(dòng)飛行任務(wù)按階段劃分為各飛行事件,進(jìn)行出艙活動(dòng)飛行事件分析,并以影響出艙活動(dòng)成敗的關(guān)鍵要素,明確出艙活動(dòng)關(guān)鍵事件。

2)進(jìn)行出艙活動(dòng)故障模式設(shè)計(jì)。以系統(tǒng)功能FTA和FMEA為主,飛行事件功能失效分析為輔,確定出艙活動(dòng)故障模式。通過(guò)系統(tǒng)FTA可以識(shí)別潛在的系統(tǒng)故障模式和災(zāi)難性危險(xiǎn)因素,發(fā)現(xiàn)可靠性和安全性薄弱環(huán)節(jié);通過(guò)飛行事件功能失效分析,使得分析更加細(xì)致和有針對(duì)性,并與飛行任務(wù)更加有貼近性。

3)進(jìn)行出艙活動(dòng)各飛行事件的時(shí)域、空域功能分析。通過(guò)飛行事件中的信息傳遞關(guān)系、時(shí)序關(guān)系、空域協(xié)作關(guān)系分析,明確參與執(zhí)行飛行事件的設(shè)備工作模式和承擔(dān)的任務(wù)功能,作為出艙活動(dòng)故障對(duì)策的設(shè)計(jì)條件。

4)進(jìn)行在軌故障對(duì)策設(shè)計(jì)。結(jié)合出艙活動(dòng)功能分析和FMEA分析結(jié)果,并利用功能的降級(jí)、重構(gòu)進(jìn)行在軌故障對(duì)策設(shè)計(jì)。

神舟飛船出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策的設(shè)計(jì)方法如圖1所示。

圖1 神舟飛船出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策的設(shè)計(jì)方法Fig.1 Design method of Shenzhou spaceship' s extravehicular activity failure modes and countermeasures

3 出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策設(shè)計(jì)

3.1 出艙活動(dòng)飛行事件及故障模式分析

神舟飛船執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù),綜合考慮了運(yùn)行軌道、地面測(cè)控、能源平衡、姿態(tài)控制和空間環(huán)境適應(yīng)性等多種約束條件,還考慮了航天員的生理?xiàng)l件、艙外航天服的工作條件等與人相關(guān)的約束條件,為此設(shè)計(jì)了正常飛行3 天,最多推遲2 天返回的飛行方案。正常飛行期間完成出艙活動(dòng)任務(wù),艙外活動(dòng)時(shí)間約30min。

根據(jù)出艙活動(dòng)各項(xiàng)操作內(nèi)容和在軌試驗(yàn)內(nèi)容,出艙活動(dòng)在程序上分為4個(gè)任務(wù)階段,分別為在軌檢查和訓(xùn)練任務(wù)段、出艙前的準(zhǔn)備任務(wù)段、艙外活動(dòng)任務(wù)段和艙內(nèi)環(huán)境恢復(fù)任務(wù)段。通過(guò)對(duì)出艙活動(dòng)各階段任務(wù)剖面分解后,得到的主要飛行事件及故障模式分析見(jiàn)表1。

表1 出艙活動(dòng)飛行各階段主要飛行事件和故障模式分析Table1 Major events and failure mode analysis in extravehicular activity stages

從表1可以看出,飛船軌道艙泄、復(fù)壓壓力、出艙艙門的密封性、艙外航天服的密封性以及航天員的身體健康狀態(tài)是影響出艙活動(dòng)成敗的關(guān)鍵要素,在故障對(duì)策設(shè)計(jì)上應(yīng)重點(diǎn)考慮。

3.2 出艙活動(dòng)故障對(duì)策設(shè)計(jì)

神舟飛船出艙活動(dòng)故障的處理,以確保航天員安全為首要條件,在保證航天員安全的基礎(chǔ)上,整船功能具有一定可靠性保證的條件下,盡量完成預(yù)定出艙活動(dòng)任務(wù)?？紤]與其他非載人航天器的顯著不同,神舟飛船出艙活動(dòng)故障對(duì)策設(shè)計(jì)充分發(fā)揮航天員的主觀能動(dòng)性,發(fā)揮手動(dòng)操作在故障處理中的作用。

按照表1分析結(jié)果,將其中的故障模式分解到出艙活動(dòng)各子項(xiàng)功能中,通過(guò)設(shè)備工作模式和承擔(dān)的任務(wù)功能分析,進(jìn)行出艙活動(dòng)故障對(duì)策的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 出艙活動(dòng)故障模式功能分解Table2 Major function and failure mode analysis in extravehicular activity

(續(xù)表2)

3.3 出艙活動(dòng)應(yīng)急飛行程序設(shè)計(jì)

艙外活動(dòng)過(guò)程必須在一定的地面測(cè)控支持下進(jìn)行。受測(cè)控條件的限制,如果出艙程序安排不合理導(dǎo)致執(zhí)行超時(shí)或由于對(duì)故障的處理引起執(zhí)行超時(shí),將不能繼續(xù)執(zhí)行正常出艙飛行程序。在整船仍具有支持出艙活動(dòng)能力的條件下,可以通過(guò)制定應(yīng)急出艙飛行程序作為補(bǔ)償措施,提高出艙活動(dòng)任務(wù)成功的可靠性。

為具備多種故障情況下的靈活處置能力,出艙活動(dòng)應(yīng)急飛行程序是以任務(wù)段落關(guān)鍵事件的執(zhí)行情況作為程序啟動(dòng)的判據(jù),根據(jù)任務(wù)段的不同,設(shè)計(jì)了當(dāng)圈軌道繼續(xù)出艙的延遲出艙程序Ⅰ、推遲到下一圈軌道出艙的延遲出艙程序Ⅱ、飛行第3 天出艙的備份出艙程序以及一名航天員出艙程序。

1)當(dāng)圈軌道出艙的延遲出艙程序

考慮艙外活動(dòng)起始時(shí)刻的地面測(cè)控約束,將出艙前準(zhǔn)備任務(wù)段航天員關(guān)閉艙外航天服背包門的時(shí)間作為地面程序決策判斷點(diǎn)。若航天員關(guān)艙外航天服背包門超時(shí)不超過(guò)20min,考慮整個(gè)出艙測(cè)控弧段的時(shí)間,可以決策繼續(xù)當(dāng)圈軌道出艙,航天員此后操作順延,開(kāi)軌道艙艙門的時(shí)間相應(yīng)后延,出艙后縮短艙外活動(dòng)范圍,減少艙外活動(dòng)時(shí)間,出艙航天員回到軌道艙關(guān)艙門時(shí)間與正常程序相同,艙內(nèi)環(huán)境恢復(fù)程序與正常程序相同。

2)推遲1圈軌道出艙程序

在出艙前準(zhǔn)備任務(wù)段,若航天員關(guān)艙外航天服背包門超時(shí)20min 以上,則改為下一圈軌道出艙。在飛行控制任務(wù)實(shí)施上,地面注入新的程序。第30圈軌道進(jìn)入地面測(cè)控區(qū)后,航天員報(bào)告地面狀態(tài),地面確認(rèn)可以出艙后,執(zhí)行出艙程序,開(kāi)艙門之前和之后的程序與此點(diǎn)的順序和時(shí)間間隔和正常飛行程序出艙段相同,向前后順延。

3)推遲1 天出艙程序

在出艙前準(zhǔn)備任務(wù)段,若正常出艙活動(dòng)飛行程序中的大流量沖洗未按時(shí)進(jìn)行,則首先恢復(fù)船上狀態(tài),脫艙外航天服,軌道艙復(fù)壓到常壓,地面注入船上狀態(tài)恢復(fù)程序,隨后注入第3 天備份飛行程序中當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)之后的程序。

4)1 人出艙程序

若出艙準(zhǔn)備任務(wù)段1 名航天員出現(xiàn)生理異常,采用1 人出艙程序執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù)。1 人出艙與2 人出艙程序比較,艙外活動(dòng)內(nèi)容適當(dāng)裁減外,出艙前準(zhǔn)備任務(wù)段艙外航天服準(zhǔn)備過(guò)程中的原兩套服裝串行操作改變?yōu)橹粶?zhǔn)備一套服裝。操作程序不變。

4 出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策在軌應(yīng)用

在神舟飛船出艙活動(dòng)飛行任務(wù)中,4 種出艙活動(dòng)故障對(duì)策發(fā)揮了作用。

1)在軌檢查和訓(xùn)練任務(wù)段超時(shí)的處理。航天員在軌檢查與訓(xùn)練任務(wù)段操作中,由于操作的復(fù)雜性使得部分操作超時(shí),航天員延遲了原計(jì)劃的第14圈軌道休息時(shí)間,繼續(xù)進(jìn)行了艙外航天服操作,最終出艙前準(zhǔn)備任務(wù)段開(kāi)始時(shí)間未變。

2)打開(kāi)軌道艙艙門困難。在航天員打開(kāi)軌道艙艙門時(shí),航天員使用了艙門輔助工具進(jìn)行了開(kāi)門操作。

3)艙門密封圈保護(hù)罩套不上。航天員打開(kāi)艙門操作超時(shí),在地面指揮下,取消了安裝艙門密封圈保護(hù)罩工作,進(jìn)出艙過(guò)程未刮碰到艙門密封圈。

4)艙外活動(dòng)任務(wù)段超時(shí)的處理對(duì)策。航天員完成了出艙展示,揮舞國(guó)旗,取潤(rùn)滑材料操作,縮短了艙外行走的范圍,按照預(yù)定時(shí)間回到了軌道艙內(nèi),后續(xù)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在測(cè)控區(qū)內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策設(shè)計(jì),充分利用了飛行事件時(shí)域、空域分析與系統(tǒng)FTA、FMEA相結(jié)合的方法,與傳統(tǒng)FMEA相比,系統(tǒng)功能分析更加細(xì)致、分析的內(nèi)容也較為全面,能夠與出艙活動(dòng)飛行任務(wù)相匹配。

出艙活動(dòng)故障模式與對(duì)策設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的檢驗(yàn),能夠滿足對(duì)在軌故障處理的實(shí)時(shí)性、快速性和準(zhǔn)確性的要求,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

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