載人航天器組合體航天員應(yīng)急撤離流程設(shè)計(jì)

王志瑩 楊海峰 王悅 姜文彩 杜占超

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

載人航天器組合體航天員應(yīng)急撤離流程設(shè)計(jì)

王志瑩 楊海峰 王悅 姜文彩 杜占超

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

駐留載人航天器組合體的航天員執(zhí)行任務(wù)時(shí),如果發(fā)生影響駐留安全的故障,應(yīng)能保證航天員安全、及時(shí)撤離。為此,文章提出了一種基于常規(guī)飛行和飛控模式的應(yīng)急撤離流程。通過對(duì)航天員應(yīng)急撤離的故障模式及技術(shù)條件進(jìn)行研究,面向安全狀態(tài),將應(yīng)急撤離流程量化為7個(gè)撤離項(xiàng)目。以發(fā)生載人環(huán)境異常故障為例,對(duì)撤離流程的應(yīng)用進(jìn)行分析。結(jié)果表明:文章提出的應(yīng)急撤離流程,可以保證故障時(shí)地面飛行控制中心及時(shí)決策,實(shí)現(xiàn)航天員的安全撤離,能提高航天員長期在軌駐留時(shí)的安全性。

載人航天器組合體;航天員;應(yīng)急撤離;故障模式;處置時(shí)間

1 引言

我國載人航天交會(huì)對(duì)接技術(shù)不斷發(fā)展[1],相繼成功完成了航天員短期駐留、中期駐留飛行任務(wù)。在載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)中,航天員的生命安全至關(guān)重要。我國載人航天器在設(shè)計(jì)時(shí)采用了各種可靠性、安全性措施,其目的就是最大程度地保證航天員安全。當(dāng)載人航天器以組合體(由追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器組成)形式飛行時(shí),其工作模式及管理模式比獨(dú)立飛行時(shí)要復(fù)雜,當(dāng)組合體發(fā)生影響航天員駐留安全的故障時(shí),應(yīng)能夠保證航天員安全、及時(shí)撤離。對(duì)于一次正常的載人飛行任務(wù),通常按照等待發(fā)射、發(fā)射、交會(huì)、對(duì)接、組合體運(yùn)行、撤離及返回著陸的任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行。本文的應(yīng)急撤離,指的是航天員駐留組合體期間,一旦組合體發(fā)生故障,能立即中斷正常任務(wù)規(guī)劃的執(zhí)行,通過采取應(yīng)急處置措施保證航天員到達(dá)安全狀態(tài)的過程。

國外載人航天技術(shù)發(fā)展成熟,已實(shí)現(xiàn)了航天員在軌長期駐留,但目前無法檢索到載人航天器故障時(shí)駐留的航天員如何實(shí)施撤離。對(duì)于國內(nèi)載人航天領(lǐng)域,因目前歷次任務(wù)的模式和目的不同,暫未形成通用化的航天員應(yīng)急撤離流程。隨著國內(nèi)載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展,必將實(shí)現(xiàn)航天員長期在軌駐留,任務(wù)模式也將固化,因此,為了更好地保障航天員的在軌安全,應(yīng)對(duì)航天員在載人航天器組合體故障時(shí)實(shí)施應(yīng)急撤離的通用流程進(jìn)行研究。本文以我國載人航天有人交會(huì)對(duì)接任務(wù)[2]為研究背景,基于常規(guī)飛行與飛控模式,對(duì)航天員長期在軌駐留組合體時(shí)如何在故障情況下實(shí)施安全撤離進(jìn)行研究,提出了一種撤離項(xiàng)目及撤離時(shí)間量化的應(yīng)急撤離流程,能合理安排航天員、組合體及地面飛行控制[3]之間的協(xié)同關(guān)系,可為提高航天員長期在軌駐留的安全性提供參考。

2 應(yīng)急撤離流程

載人飛行任務(wù)通常是在特定的測(cè)控條件及飛控模式下完成的。載人航天器組合體運(yùn)行期間,通常由地面測(cè)站和中繼衛(wèi)星提供測(cè)控支持,充分利用中繼衛(wèi)星的高覆蓋率優(yōu)勢(shì)[4];飛控以地面控制為主,對(duì)組合體實(shí)施飛行狀態(tài)管理,包括確認(rèn)組合體狀態(tài)、制定測(cè)控計(jì)劃、編制飛行程序及執(zhí)行數(shù)據(jù)注入。當(dāng)發(fā)生故障時(shí),應(yīng)急撤離的目的是在故障產(chǎn)生影響前使航天員到達(dá)安全狀態(tài)(故障發(fā)生時(shí)能夠保證航天員安全的飛行狀態(tài)),所以在有限的撤離時(shí)間內(nèi),測(cè)控條件及飛控模式將變成實(shí)施應(yīng)急撤離的約束條件。故障模式?jīng)Q定了留給撤離的總時(shí)間;測(cè)控條件決定了對(duì)組合體執(zhí)行處置措施的可用時(shí)間;飛控模式?jīng)Q定了如何完成應(yīng)急天地協(xié)同。

應(yīng)急撤離流程用于規(guī)定航天員(人)、追蹤飛行器(船)、目標(biāo)飛行器(器)、地面控制(地)在應(yīng)急撤離過程中需要執(zhí)行的撤離項(xiàng)目及執(zhí)行時(shí)機(jī),其難點(diǎn)在于要統(tǒng)籌考慮航天員安全、地面控制、測(cè)控條件、撤離時(shí)間及組合體狀態(tài),通過有效利用測(cè)控條件控制組合體飛行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)故障情況下及時(shí)撤離,保證航天員安全。

航天員駐留組合體時(shí),導(dǎo)致應(yīng)急撤離的故障模式主要包括載人環(huán)境[5]異常、推進(jìn)系統(tǒng)泄漏故障和電源系統(tǒng)故障。不同的故障模式,其特性及變化趨勢(shì)不同,因此從故障發(fā)生至影響航天員安全的持續(xù)時(shí)間不同,把該持續(xù)時(shí)間定義為故障允許處置時(shí)間。在載人航天器研制階段,通過故障模式的影響分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,能夠確定每種故障模式的故障允許處置時(shí)間。不同的故障造成載人航天器性能降級(jí)或功能喪失的程度不同,因此故障發(fā)生時(shí)能夠保證航天員安全的飛行狀態(tài)也不同,即安全狀態(tài)不同。安全狀態(tài)主要有以下幾種。

(1)組合體分離,該狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)飛行器發(fā)生的故障隔離。

(2)追蹤飛行器艙段分離,該狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)追蹤飛行器將推進(jìn)艙發(fā)生的故障隔離。

(3)追蹤飛行器返回著陸,該狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)航天員返回地面,等待救援。

應(yīng)急撤離流程以達(dá)到安全狀態(tài)為目標(biāo),制定從故障發(fā)生至達(dá)到安全狀態(tài)時(shí)人、船、器、地的撤離項(xiàng)目及協(xié)同關(guān)系。對(duì)于測(cè)控區(qū)外發(fā)生直接影響航天員安全的故障(如駐留艙段失壓),由航天員自主決策實(shí)施撤離準(zhǔn)備,當(dāng)組合體進(jìn)入測(cè)控區(qū)后轉(zhuǎn)為地面決策進(jìn)行后續(xù)處置;故障發(fā)生在測(cè)控區(qū)內(nèi)時(shí),由地面決策進(jìn)行處置。因?yàn)檫_(dá)到不同安全狀態(tài)需要采取的處置措施不同,所以對(duì)于經(jīng)過較簡單處置能達(dá)到的安全狀態(tài),應(yīng)急撤離包含的撤離項(xiàng)目少;而對(duì)于經(jīng)過較復(fù)雜處置能達(dá)到的安全狀態(tài),應(yīng)急撤離包含的撤離項(xiàng)目多。參考載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)常規(guī)飛行和飛控模式,共設(shè)計(jì)7個(gè)應(yīng)急撤離項(xiàng)目,故障發(fā)生后根據(jù)嚴(yán)酷程度從7個(gè)項(xiàng)目中選擇必要的項(xiàng)目實(shí)施撤離。應(yīng)急撤離流程見圖1,其中包括的應(yīng)急撤離項(xiàng)目如下。

1)地面確認(rèn)組合體狀態(tài)

組合體進(jìn)入測(cè)控區(qū)后,地面通過遙測(cè)數(shù)據(jù)與航天員溝通確認(rèn)組合體工作狀態(tài),若組合體狀態(tài)存在異常,地面通過分析故障數(shù)據(jù)確定故障模式及故障發(fā)生的時(shí)刻。確定故障模式,即可確定故障允許處置時(shí)間(記為Tmax)及對(duì)應(yīng)的安全狀態(tài);確定故障發(fā)生的時(shí)刻,即可計(jì)算故障發(fā)生在測(cè)控區(qū)外的時(shí)間(記為Tout)。在完成狀態(tài)確認(rèn)后,可以得到應(yīng)急撤離有效時(shí)間為Tmax-Tout,應(yīng)急撤離工作需要在該時(shí)間內(nèi)完成才能保證航天員安全撤離。

地面確認(rèn)組合體狀態(tài)時(shí),若發(fā)現(xiàn)航天員在測(cè)控區(qū)外決策并成功實(shí)施了應(yīng)急撤離準(zhǔn)備,則進(jìn)入測(cè)控區(qū)后繼續(xù)未完成的工作,測(cè)控區(qū)外航天員完成的操作不占用應(yīng)急撤離有效時(shí)間;進(jìn)入測(cè)控區(qū)后,航天員繼續(xù)執(zhí)行的操作,可以同其他撤離項(xiàng)目并行開展,同樣不占用應(yīng)急撤離有效時(shí)間。航天員應(yīng)急撤離準(zhǔn)備工作的內(nèi)容包括完成組合體內(nèi)物品撤收、狀態(tài)設(shè)置及關(guān)閉艙門等操作。

地面確認(rèn)組合體狀態(tài)是所有故障模式下實(shí)施應(yīng)急撤離的第1項(xiàng),其他項(xiàng)目將根據(jù)安全狀態(tài)不同適當(dāng)選擇。規(guī)定地面完成確認(rèn)組合體狀態(tài)的時(shí)間為T1。

2)地面制定飛行程序

當(dāng)應(yīng)急撤離要改變組合體飛行狀態(tài)時(shí),地面根據(jù)安全狀態(tài)編制飛行程序[6],并進(jìn)行飛行程序的校核及會(huì)簽,用于保證飛行程序的正確性及有效性。規(guī)定地面制定飛行程序的時(shí)間為T2。

3)地面等待測(cè)控區(qū)

由于不具備100%測(cè)控覆蓋率,在地面完成制定飛行程序后,可能要等待測(cè)控區(qū)執(zhí)行飛行程序注入。將等待測(cè)控區(qū)的時(shí)間記為TN,該時(shí)間由組合體測(cè)控條件決定,等待時(shí)間小于最長不在測(cè)控區(qū)的時(shí)間。

4)地面注入飛行程序

在組合體進(jìn)入測(cè)控區(qū)后,地面實(shí)施注入飛行程序。規(guī)定地面注入飛行程序的時(shí)間為T3。

5)實(shí)施組合體分離

當(dāng)應(yīng)急撤離安全狀態(tài)需要組合體分離時(shí),地面制定的飛行程序中包含組合體分離指令。組合體分離通常受測(cè)控條件、光照條件等約束,因此,組合體要等待至滿足分離條件時(shí)執(zhí)行分離指令,該等待時(shí)間記為t。組合體在分離時(shí)刻到來時(shí)即執(zhí)行剛性連接解鎖[7],解鎖時(shí)間為TF0,該時(shí)間由載人航天器設(shè)計(jì)狀態(tài)決定,解鎖后組合體實(shí)現(xiàn)分離。實(shí)施組合體分離的總時(shí)間為t+TF0。

6)實(shí)施追蹤飛行器艙段分離

當(dāng)應(yīng)急撤離安全狀態(tài)需要追蹤飛行器艙段分離時(shí),組合體分離后,追蹤飛行器繼續(xù)執(zhí)行飛行程序,撤離至安全距離時(shí)實(shí)施艙段分離,從組合體分離至追蹤飛行器艙段分離所需時(shí)間為TF1,該時(shí)間由追蹤飛行器設(shè)計(jì)狀態(tài)決定。

7)實(shí)施追蹤飛行器返回[8]

當(dāng)應(yīng)急撤離安全狀態(tài)需要追蹤飛行器返回時(shí),追蹤飛行器艙段分離后繼續(xù)執(zhí)行飛行程序,直至再入并著陸。追蹤飛行器返回所需時(shí)間為TF2,該時(shí)間由追蹤飛行器設(shè)計(jì)狀態(tài)決定。

圖1中的應(yīng)急撤離流程,反映了在一定測(cè)控條件下,實(shí)施航天員決策撤離或地面決策撤離時(shí)人、船、器、地的撤離項(xiàng)目及協(xié)同關(guān)系。依據(jù)本流程,可確定安全狀態(tài),并按照流程中規(guī)定的撤離項(xiàng)目和撤離時(shí)間完成撤離。其中:T1,T2,T3是確定的時(shí)間,由飛控模式?jīng)Q定;TF0,TF1,TF2是確定的時(shí)間,由載人航天器設(shè)計(jì)決定;TN和t是不確定的時(shí)間,與測(cè)控條件有關(guān)。因此,在實(shí)施應(yīng)急撤離時(shí),應(yīng)合理選擇測(cè)控區(qū)以實(shí)施飛行程序注入,從而減小等待測(cè)控區(qū)的時(shí)間TN;合理選擇組合體分離時(shí)刻,從而減小等待分離的時(shí)間t。總之,將應(yīng)急撤離控制在最短時(shí)間內(nèi)完成,以提高航天員撤離的安全性。

3 應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)嚴(yán)酷程度最高的載人環(huán)境異常故障模式,對(duì)如何應(yīng)用應(yīng)急撤離流程進(jìn)行說明。當(dāng)追蹤飛行器載人環(huán)境異常時(shí),可能破壞常溫常壓的駐留環(huán)境,直接危及航天員駐留安全。因載人航天器所攜帶維持載人環(huán)境的資源有限,航天員應(yīng)盡快返回地面以確保安全,此故障模式下應(yīng)急撤離流程應(yīng)用分析如下。

(1)地面在T1時(shí)間內(nèi)進(jìn)行組合體狀態(tài)確認(rèn),當(dāng)確認(rèn)已發(fā)生載人環(huán)境異常故障時(shí),故障允許處置時(shí)間Tmax確定,根據(jù)測(cè)控區(qū)內(nèi)下行的遙測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算故障發(fā)生在測(cè)控區(qū)外的時(shí)間Tout,得出留給應(yīng)急撤離的有效時(shí)間為Tmax-Tout。

(2)按應(yīng)急撤離流程執(zhí)行地面制定飛行程序(T2)、地面等待測(cè)控區(qū)(TN)、地面注入飛行程序(T3)、實(shí)施組合體分離(t+TF0)、實(shí)施追蹤飛行器艙段分離(TF1)及實(shí)施追蹤飛行器返回(TF2),應(yīng)急撤離總時(shí)間為T2+TN+T3+t+TF0+TF1+TF2。

(3)為實(shí)現(xiàn)航天員在故障允許處置時(shí)間內(nèi)能安全撤離,要保證T1+T2+TN+T3+t+TF0+TF1+TF2＜Tmax-Tout,即必須在應(yīng)急撤離有效時(shí)間內(nèi)完成各撤離項(xiàng)目。因?yàn)門1,T2,T3,TF0,TF1,TF2為確定的時(shí)間,所以只要保證TN+t＜(Tmax-Tout)-(T1+T2+TN+T3+t+TF0+TF1+TF2)即可。通過選擇在最近的測(cè)控區(qū)或在多個(gè)測(cè)控區(qū)分批注入飛行程序,將分離時(shí)刻選擇在分離窗口的前沿,把TN+t控制在滿足撤離要求的范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)航天員的安全撤離。

綜上所述,本文提出的航天員應(yīng)急撤離流程,實(shí)現(xiàn)了撤離項(xiàng)目及撤離時(shí)間的量化,可以保證組合體故障時(shí)地面能夠立即根據(jù)測(cè)控條件及飛行狀態(tài)作出決策并進(jìn)行處置,通過合理安排應(yīng)急撤離流程及分配撤離時(shí)間,實(shí)現(xiàn)在人、船、器、地協(xié)同下航天員的安全撤離。

4 結(jié)束語

本文以載人航天任務(wù)為研究背景,針對(duì)載人航天器組合體出現(xiàn)故障影響航天員駐留安全的情況,對(duì)航天員應(yīng)急撤離的安全性及約束條件進(jìn)行分析,提出了一種基于常規(guī)飛行與飛控模式的通用化應(yīng)急撤離流程,可作為技術(shù)方案應(yīng)用于載人航天器長期在軌運(yùn)行管理,保證航天員長期在軌駐留的安全性。面向于未來載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展,下一步將要研究各種飛控故障模式下的撤離流程,以及非常規(guī)飛行撤離對(duì)應(yīng)的撤離流程。

References)

[1]朱仁璋,王鴻芳,叢云天,等.中外交會(huì)對(duì)接技術(shù)比較研究[J].航天器工程,2013,22(3):8-15 Zhu Renzhang,Wang Hongfang,Cong Yuntian,et al.Comparative study of Chinese and foreign rendezvous and docking technologies[J].Spacecraft Engineering,2013,22(3):8-15(in Chinese)

[2]尚志.中國首次交會(huì)對(duì)接任務(wù)的技術(shù)成就和展望[J].航天器工程,2011,20(6):11-15 Shang Zhi.Technology achievements and prospect of China first rendezvous and docking mission[J].Spacecraft Engineering,2011,20(6):11-15(in Chinese)

[3]周彬,孫軍.載人航天器飛行控制過程的狀態(tài)空間描述法[C]//全國第十二屆空間及運(yùn)動(dòng)體控制技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:中國自動(dòng)化學(xué)會(huì),2006:137-143 Zhou Bin,Sun Jun.The method of state for manned spacecraft control process[C]//Proceedings of the 12th National Conference on Aerospace and Motion Object Control Technology.Beijing:Chinese Automation Association,2006:137-143(in Chinese)

[4]王忠貴.交會(huì)對(duì)接任務(wù)天基雙目標(biāo)測(cè)控通信設(shè)計(jì)[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2012,31(3):1-5 Wang Zhonggui.Design of a space-based dual-object TT&C system for China’s first rendezvous and docking mission[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2012,31(3):1-5(in Chinese)

[5]滿廣龍,曹劍鋒,孟繁孔.交會(huì)對(duì)接組合體熱管理研究[J].航天器工程,2011,20(6):32-37 Man Guanglong,Cao Jianfeng,Meng Fankong.Research on a thermal management system for docking spacecraft combination[J].Spacecraft Engineering,2011,20(6):32-37(in Chinese)

[6]王丹,徐進(jìn),陳丹.基于自主規(guī)劃的載人航天器飛行程序設(shè)計(jì)[J].航天器工程,2015,24(1):50-55 Wang Dan,Xu Jin,Chen Dan.Design of flight procedure based on autonomous planning for manned spacecraft[J].Spacecraft Engineering,2015,24(1):50-55(in Chinese)

[7]鄭永煌.空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)[J].自然雜志,2011,33(6):311-314 Zheng Yonghuang.Rendezvous and docking technology for space flight[J].Chinese Journal of Nature,2011,33(6):311-314(in Chinese)

[8]張治國,劉新建,閆野.一種載人飛船自主應(yīng)急返回模式設(shè)計(jì)[J].載人航天,2012,18(3):25-30 Zhang Zhiguo,Liu Xinjian,Yan Ye.A design of autonomous emergency reentry for manned spacecraft[J].Manned Spaceflight,2012,18(3):25-30(in Chinese)

Design of Flow for Astronauts’Emergency Evacuation in Manned Spacecraft Combination

WANG Zhiying YANG Haifeng WANG Yue JIANG Wencai DU Zhanchao
(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

When astronauts inhabit in manned spacecraft combination,the malfunction of the combination may happen.In order to insure the astronauts’safety and quick evacuation,an emergency evacuation flow based on flight scheme and flight control mode is proposed.The failure modes and technical conditions of astronauts’emergency evacuation are studied,then the emergency evacuation flow based on safety state indicates seven evacuation items.Taking the manned environment failure for example,the emergency evacuation flow application is analyzed.The results show that the ground flight control center can make a timely decision by using the emergency evacuation flow,and then the astronauts can finally achieve a safe state.The emergency evacuation flow proposed can assure astronauts’long-term inhabitancy safety.

manned spacecraft combination;astronaut;emergency evacuation;malfunction mode;time of disposition

V476

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.004

2017-07-21;

2017-09-19

國家重大科技專項(xiàng)工程

王志瑩,男,碩士,工程師,從事載人航天器總體設(shè)計(jì)工作。Email:wzy-peanut@163.com。

(編輯:夏光)