空間站維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法研究

張 偉，夏僑麗

(中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094)

1 引言

載人航天器在軌維修是指通過(guò)航天員在軌對(duì)載人航天器進(jìn)行維修，達(dá)到載人航天器系統(tǒng)在壽命、可用度等方面的指標(biāo)要求［1］?！昂推教?hào)”空間站設(shè)計(jì)壽命5年，通過(guò)在軌維修延壽到15年，“和平”號(hào)空間站末期飛行任務(wù)中航天員75%的時(shí)間都在開(kāi)展維修工作。國(guó)際空間站設(shè)計(jì)壽命15年，目前已到壽命末期，經(jīng)評(píng)估可通過(guò)維修將壽命延長(zhǎng)至20年［2］。由此可見(jiàn)維修是空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)必不可少的手段。

對(duì)于我國(guó)而言，為保證空間站在軌可靠運(yùn)行10年以上，必須結(jié)合可靠性開(kāi)展維修性設(shè)計(jì)工作。

2 國(guó)外空間站在軌維修現(xiàn)狀

和平號(hào)共計(jì)約出現(xiàn)過(guò)1500處故障，包括電解制氧裝置故障、火災(zāi)、航天器撞擊、艙體泄漏、中央計(jì)算機(jī)故障、蓄電池異常放電、溫控系統(tǒng)故障、制導(dǎo)系統(tǒng)故障等，但其中有很多故障最終未能修復(fù)［3］。

在國(guó)際空間站建造和運(yùn)營(yíng)期間，國(guó)際空間站每年艙內(nèi)維修約2536人時(shí)，艙外航天員維修約421人時(shí)，艙外機(jī)器人維修約777小時(shí)，航天員平均每個(gè)工作日進(jìn)行1.9小時(shí)的維修活動(dòng)，非工作日1.8小時(shí)［4］。在軌維護(hù)維修的設(shè)備包括通用計(jì)算機(jī)、泵組件、風(fēng)扇、蓄電池、通風(fēng)管、傳感器、面板維修、吸附劑床、細(xì)菌過(guò)濾器、水分離器等艙內(nèi)設(shè)備，以及太陽(yáng)帆板、太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、艙外推進(jìn)劑管路、對(duì)接機(jī)構(gòu)、控制力矩陀螺、碎片防護(hù)擋板、艙外泵組等艙外設(shè)備［5］。圖1為航天員修復(fù)國(guó)際空間站太陽(yáng)帆板的褶皺［6］，圖2為航天員在進(jìn)行國(guó)際空間站艙內(nèi)產(chǎn)品的維修［7］。

圖1 航天員維修國(guó)際空間站太陽(yáng)翼Fig.1 Maintenance of ISS solar array

圖2 航天員維修國(guó)際空間站艙內(nèi)二氧化碳去除裝置Fig.2 ISS carbon dioxide removal assembly maintenance

圖3 為國(guó)際空間站組裝期間(2006－2010)以及組裝完成后(2011－2015)，預(yù)計(jì)向空間站運(yùn)送物資的不同種類(lèi)的結(jié)構(gòu)分布圖［5］，可見(jiàn)空間站組裝建造完成后、在軌運(yùn)營(yíng)期間需上行的維修備件約占上行物資的1/4。

圖3 國(guó)際空間站上行物資分配圖Fig.3 Spare parts of ISS

3 我國(guó)空間站維修性設(shè)計(jì)需求

由和平號(hào)空間站、國(guó)際空間站的在軌運(yùn)營(yíng)情況可知，空間站必須采用維修性設(shè)計(jì)才能保證在軌長(zhǎng)壽命、高可靠運(yùn)行。俄羅斯設(shè)備的固有可靠性較低，采取了大量的預(yù)防性維修措施延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，而美國(guó)采用以可靠性為中心的維修策略，對(duì)故障后果很?chē)?yán)重的設(shè)備采用預(yù)防性維修，對(duì)設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，在故障表征的決策點(diǎn)進(jìn)行視情維修，這樣大大減少了維修時(shí)間，節(jié)約了維修資源。

我國(guó)空間站是一個(gè)由天和、問(wèn)天、巡天等多個(gè)艙段構(gòu)成的載人組合體飛行器，在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)分析確定有維修需求的產(chǎn)品，對(duì)于可在軌預(yù)測(cè)產(chǎn)品工作情況的采用預(yù)防性維修，對(duì)于在軌故障難以預(yù)測(cè)的突發(fā)故障采用修復(fù)性維修。

我國(guó)空間站設(shè)備主要分為有耗損特性和無(wú)耗損特性?xún)深?lèi)。

1)耗損特性

機(jī)電類(lèi)產(chǎn)品、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)產(chǎn)品、電化學(xué)類(lèi)產(chǎn)品以及涂層等均屬耗損特性產(chǎn)品，存在明確的壽命約束，是空間站長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮的對(duì)象。耗損性產(chǎn)品、消耗性產(chǎn)品和需定期標(biāo)定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命難以滿(mǎn)足空間站壽命要求，需要根據(jù)情況進(jìn)行在軌維修。

2)非耗損特性

無(wú)耗損特性設(shè)備多為電子產(chǎn)品，不存在壽命約束。電子產(chǎn)品的故障現(xiàn)象可能隨機(jī)發(fā)生，主要失效模式是元器件或電路失效。防止非耗損特性產(chǎn)品故障的主要措施是加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)，降低電子產(chǎn)品隨機(jī)故障發(fā)生概率，提高系統(tǒng)的可靠度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命內(nèi)正常運(yùn)行的目標(biāo);同時(shí)對(duì)于關(guān)鍵功能產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)在軌隨機(jī)故障。

由此可見(jiàn)，我國(guó)空間站需開(kāi)展維修性設(shè)計(jì)以保證在軌長(zhǎng)壽命、高可靠運(yùn)行?？臻g站長(zhǎng)期有人駐留，可通過(guò)維修手段提高空間站的可靠性。

通過(guò)在軌存儲(chǔ)備件的方式可提高原有可靠性，以空間站某處理單元為例，三個(gè)處理單元均可工作才能滿(mǎn)足任務(wù)功能要求，如圖4所示。因此，在不考慮維修支持時(shí)，3個(gè)處理單元需要串聯(lián)進(jìn)模型中，計(jì)算得到的系統(tǒng)任務(wù)可靠度低。

圖4 不考慮維修支持的可靠性分析方法Fig.4 Reliability analysis method without maintenance

考慮維修支持，有人駐留，并且在軌存有備件時(shí)，任一臺(tái)處理單元故障，可立即維修更換，在軌存儲(chǔ)的備件相當(dāng)于一臺(tái)冷備份，維修時(shí)間可近似于切換時(shí)間(維修時(shí)間是系統(tǒng)允許的時(shí)間)。因此，處理單元的工作模式近似于4臺(tái)設(shè)備取其中3臺(tái)工作，可靠性模型簡(jiǎn)化為4取3表決模型，如圖5所示，計(jì)算得到的系統(tǒng)任務(wù)可靠度有一定程度的提高。通過(guò)維修設(shè)計(jì)可使得空間站滿(mǎn)足在軌長(zhǎng)壽命高可靠性的要求。

圖5 考慮維修支持的可靠性分析方法Fig.5 Reliability analysis method with maintenance

4 空間站維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間站維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括有維修需求產(chǎn)品的布局設(shè)計(jì)、供電設(shè)計(jì)、信息設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)設(shè)計(jì)、維修工作模式設(shè)計(jì)等。

1)布局維修性設(shè)計(jì)

應(yīng)根據(jù)維修項(xiàng)目的優(yōu)先級(jí)、在軌維修頻率等，提出布局需求，通過(guò)合理的產(chǎn)品布局保證在軌維修時(shí)維修產(chǎn)品的可視性、可達(dá)性和維修操作空間滿(mǎn)足要求。

2)供電設(shè)計(jì)

通過(guò)系統(tǒng)的供配電設(shè)計(jì)確保所有需維修的產(chǎn)品均可在軌加斷電，以保證維修時(shí)供電斷開(kāi)。

3)信息設(shè)計(jì)

通過(guò)空間站信息系統(tǒng)的維修設(shè)計(jì)，防止信號(hào)接口在插拔操作時(shí)對(duì)上下游產(chǎn)品產(chǎn)生影響，或防止誤發(fā)指令。

4)故障檢測(cè)

通過(guò)空間站在軌自主健康管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)和定位，以確定需維修的產(chǎn)品。

5)維修工作模式設(shè)計(jì)

針對(duì)具體維修項(xiàng)目設(shè)計(jì)相應(yīng)的維修工作模式，包括對(duì)系統(tǒng)功能的影響、主備機(jī)的切換、控制權(quán)的切換、信息流的調(diào)整、艙段功能的切換、系統(tǒng)允許最大維修時(shí)間、新備件接入系統(tǒng)時(shí)的工作模式等，以確保故障產(chǎn)品切出平臺(tái)和新備件聯(lián)入平臺(tái)時(shí)，對(duì)平臺(tái)功能無(wú)影響或影響較小，保證平臺(tái)安全。

5 在軌可更換單元分析方法

在軌可更換單元(Orbital Replaceable Units，ORU)是可在軌進(jìn)行移動(dòng)、檢查、更換的最低層次單元。綜合可靠性設(shè)計(jì)、測(cè)試性設(shè)計(jì)和保障資源代價(jià)問(wèn)題，確定不同層次的單元作為ORU，是維修性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

確定ORU層次時(shí)，需要考慮如下因素:

1)ORU為功能獨(dú)立的單元、模塊;

2)ORU內(nèi)部組成的壽命應(yīng)接近;

3)ORU內(nèi)部組成故障率應(yīng)近似;

4)ORU故障可被檢測(cè)、定位和隔離;

5)ORU應(yīng)在軌可視可達(dá)，對(duì)ORU進(jìn)行更換操作，應(yīng)盡量不影響其他功能模塊的正常運(yùn)行;

6)ORU層次不宜過(guò)高，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致未失效單元跟隨到壽或故障單元一起更換，浪費(fèi)了剩余壽命;

7)ORU層次不宜過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致維修操作技能增加，維修時(shí)間延長(zhǎng)，應(yīng)與人素分析和維修時(shí)間分析結(jié)合起來(lái)確定ORU層次。

ORU分析確定流程如圖6所示。

6 空間站維修策略

依據(jù)參考文獻(xiàn)［4］，對(duì)維修策略的描述以及我國(guó)空間站的特點(diǎn)，空間站故障修復(fù)可分為4類(lèi):

1)Ⅰ級(jí)在軌維修。以維護(hù)為主，指使用一些簡(jiǎn)單的診斷工具和手用工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行日常的維護(hù)，包括目視檢查，擦拭清潔，設(shè)備調(diào)整，潤(rùn)滑，添加消耗性物品。

2)Ⅱ級(jí)在軌維修。以更換ORU為主，在軌維修主要任務(wù)是將故障檢測(cè)、定位到ORU，并進(jìn)行更換。

圖6 ORU分析流程圖Fig.6 ORU analysis diagram

3)Ⅲ級(jí)在軌修復(fù)。在備件不能及時(shí)供應(yīng)的情況下，對(duì)部分ORU進(jìn)行深一層次在軌修復(fù)，對(duì)艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊急堵漏等修復(fù)性維修操作也屬于Ⅲ級(jí)在軌修復(fù)。

4)Ⅳ級(jí)維修。在軌無(wú)法診斷故障，并且故障可能會(huì)造成批次性影響的設(shè)備，考慮由載人船帶回地面進(jìn)行分析研究，并修復(fù)故障，作為地面儲(chǔ)備備件。

為提高航天員在軌時(shí)間的利用率，減少在軌維修操作復(fù)雜性和對(duì)航天員專(zhuān)業(yè)技能的要求，空間站在軌維修應(yīng)采用更換ORU為主，ORU內(nèi)部維修為輔的方式。

對(duì)ORU的維修可分為預(yù)防性維修和修復(fù)性維修，根據(jù)設(shè)備的故障特征，確定維修類(lèi)型。確定原則如下:

1)機(jī)構(gòu)類(lèi)、機(jī)電類(lèi)耗損特性設(shè)備，采用預(yù)防性維修;

2)消耗性設(shè)備或部件，根據(jù)工作時(shí)間采用預(yù)防性維修，定期更換;

3)電子產(chǎn)品等非耗損型設(shè)備，采用修復(fù)性維修，故障發(fā)生后采取更換措施;

4)艙外壽命滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命要求，但由于空間環(huán)境影響或受工作任務(wù)變化影響，存在壽命風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，采用視情維修，根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)，擇機(jī)安排出艙活動(dòng)進(jìn)行更換。

7 維修性驗(yàn)證方法

維修性驗(yàn)證是為確定裝備是否達(dá)到規(guī)定的維修性要求而進(jìn)行的試驗(yàn)、仿真分析評(píng)價(jià)工作［8］?？臻g站維修性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)應(yīng)結(jié)合虛擬維修仿真、地面模擬試驗(yàn)和在軌飛行試驗(yàn)進(jìn)行。

1)虛擬維修仿真

工程研制早期的設(shè)計(jì)階段往往缺少物理樣機(jī)，難以對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，而在產(chǎn)品研制后期一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷再進(jìn)行修正則代價(jià)巨大，因而需要在方案設(shè)計(jì)階段使用虛擬樣機(jī)取代物理樣機(jī)、數(shù)字人體取代實(shí)際維修人員對(duì)維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證［9］。通過(guò)使用數(shù)字人體完成維修過(guò)程的模擬，可對(duì)設(shè)計(jì)中待維修產(chǎn)品布局的可達(dá)性、可視性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，并對(duì)維修流程、維修步驟、維修所需的工具、輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)并進(jìn)行改進(jìn)。采用虛擬維修仿真驗(yàn)證方法對(duì)我國(guó)天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室在軌的維修操作進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7 虛擬維修仿真Fig.7 Virtual simulation of repair

2)地面模擬試驗(yàn)

需在地面對(duì)在軌維修的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，包括故障隔離、維修工作模式設(shè)置、維修操作、系統(tǒng)恢復(fù)、備件轉(zhuǎn)移、維修影響、維修工具等進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。需在艙外執(zhí)行的維修任務(wù)，可在中性浮力水槽中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，圖8為在中性浮力水槽中進(jìn)行的地面試驗(yàn)［10］。

圖8 在中性浮力水槽中開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.8 Verification test in the neutral buoyancy laboratory

3)在軌飛行試驗(yàn)

由于天地差異性，無(wú)法通過(guò)仿真和地面試驗(yàn)驗(yàn)證的維修過(guò)程，在條件允許情況下，盡可能通過(guò)在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。我國(guó)已在空間實(shí)驗(yàn)室上開(kāi)展了相關(guān)在軌維修技術(shù)的飛行試驗(yàn)工作，完成了內(nèi)裝飾和電子產(chǎn)品的在軌維修更換。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)外空間站在軌維修情況的調(diào)研，以及我國(guó)空間站在軌維修需求的分析，可知為保證空間站在軌可靠運(yùn)行，須開(kāi)展空間站維修性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，本文對(duì)空間站維修性設(shè)計(jì)的流程、維修需求分析、ORU確定方法、維修策略和仿真試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究，為我國(guó)空間站維修性設(shè)計(jì)提供了理論支撐和工程實(shí)施途徑。

［1］王大鵬，譚春林，張柏楠.載人航天器在軌維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2010，5:16.

［2］劉登銳.歷經(jīng)磨難險(xiǎn)象環(huán)生——和平號(hào)飛行備忘錄［J］.質(zhì)量與可靠性，2000，3:46-48.

［3］李巖，黨常平.空間在軌服務(wù)技術(shù)進(jìn)展［J］.兵工自動(dòng)化，2012，5:79-81.

［4］Patterson L P.On-orbit maintenance operations strategy for the International Space Station—concept and implementation［C］//Space Technology and Applications International Forum-2001.AIP Publishing，2001，552(1):139-146.

［5］Kagey R，Patterson LP，Wilson J L.International space station maintenance＆repair group(MRG)in-flight maintenance book ISS-4A［R］.Mission Operations Directorate，Operations Division，20 November 2000，JSC-48513-4A.

［6］Wikipedia.International Space Station maintenance［EB/OL］.2014.http://en.wikipedia.org/wiki/International_Space_Station_maintenance.

［7］Keith Cowing.Photos:ISS Carbon Dioxide Removal Assembly Maintenance［EB/OL］.2010.http://spaceref.com/onorbit/photos-iss-carbon-dioxide-removal-assembly-maintenance.html.

［8］呂川.維修性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012:255.

［9］Badler N.Virtual humans for animation，ergonomics，and simulation［C］//Nonrigid and Articulated Motion Workshop，1997.Proceedings，IEEE.IEEE，1997:28-36.

［10］Wikipedia.International Space Station maintenance［EB/OL］.2014.http://en.wikipedia.org/wiki/Astronaut_training