載人航天器應(yīng)急飛行方案庫構(gòu)建方法

楊勝 王曦 李蒙

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

載人空間站在軌運(yùn)行所需的人員輪換、物資補(bǔ)給，主要由載人飛船和貨運(yùn)飛船等天地往返運(yùn)輸航天器承擔(dān)[1]。當(dāng)載人航天器在軌出現(xiàn)故障導(dǎo)致部分系統(tǒng)功能降級(jí)或失效時(shí)，不能繼續(xù)按照正常飛行模式飛行，要進(jìn)入應(yīng)急飛行模式，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的應(yīng)急飛行方案飛行，以盡可能完成既定飛行任務(wù)，并確保航天員的安全[2]。例如，若飛船入軌后出現(xiàn)“太陽電池翼單翼未展開”故障，經(jīng)處置無效后只有單翼展開，導(dǎo)致整船供電能力下降約50%，只能進(jìn)入應(yīng)急飛行模式，按照應(yīng)急飛行方案繼續(xù)飛行任務(wù)。因此，應(yīng)急飛行方案設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)載人航天器“一度故障工作、二度故障安全”高可靠、高安全要求的重要保證。

國(guó)外對(duì)載人航天器開展了應(yīng)急飛行方案設(shè)計(jì)和研究工作，以確保飛行任務(wù)成功。以俄羅斯聯(lián)盟TMA載人飛船為例，它具備6 h快速交會(huì)對(duì)接和2天常規(guī)交會(huì)對(duì)接能力[3-4]，在執(zhí)行快速交會(huì)對(duì)接時(shí)將常規(guī)交會(huì)對(duì)接飛行方案作為應(yīng)急飛行方案。2014年3月26日，聯(lián)盟TMA-12M載人飛船執(zhí)行向“國(guó)際空間站”運(yùn)送航天員任務(wù)，在按6 h快速對(duì)接模式飛行時(shí)定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障。經(jīng)故障處置后進(jìn)入推遲對(duì)接應(yīng)急飛行模式，于3月28日成功與“國(guó)際空間站”對(duì)接，這是應(yīng)急飛行方案成功應(yīng)用的典型案例。但是，目前尚無法檢索到國(guó)外載人航天器應(yīng)急飛行方案的具體設(shè)計(jì)方法。對(duì)于國(guó)內(nèi)載人航天領(lǐng)域，在歷次任務(wù)中，均根據(jù)不同的任務(wù)目的和特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)急飛行方案[5-8]，暫未形成通用化的設(shè)計(jì)方法。目前，我國(guó)載人航天工程已全面進(jìn)入空間站階段，應(yīng)對(duì)載人航天器應(yīng)急飛行方案的通用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，更好地保障飛行任務(wù)的完成和航天員的安全。

本文提出了一種基于識(shí)別矩陣的應(yīng)急飛行方案庫構(gòu)建方法，明確了以故障模式為線索的應(yīng)急飛行模式識(shí)別方法和相應(yīng)的應(yīng)急飛行方案設(shè)計(jì)原則，以確保選擇的應(yīng)急飛行方案能保障航天員的安全，并盡可能完成既定的飛行任務(wù)。以天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船為例，闡述基于識(shí)別矩陣的應(yīng)急飛行方案庫構(gòu)建與應(yīng)用過程。本文的研究思路和成果，也可推廣應(yīng)用于其他航天器的應(yīng)急飛行方案設(shè)計(jì)。

1 基于識(shí)別矩陣的應(yīng)急飛行方案庫

載人航天飛行任務(wù)通常是在追蹤飛行器、目標(biāo)飛行器、航天員、地面測(cè)控系統(tǒng)等多方協(xié)同配合下完成的，載人航天器自身或與其他大系統(tǒng)接口故障，均可能導(dǎo)致其系統(tǒng)功能降級(jí)或失效。不同的故障模式，導(dǎo)致載人航天器系統(tǒng)功能降級(jí)或失效的程度不同，因此故障發(fā)生后載人航天器的飛行狀態(tài)不同，也即進(jìn)入的應(yīng)急飛行模式不同。載人航天器全部的應(yīng)急飛行模式及對(duì)應(yīng)的應(yīng)急飛行方案，構(gòu)成應(yīng)急飛行方案庫，飛行控制過程中最終選定的應(yīng)急飛行方案與其進(jìn)入的應(yīng)急飛行模式對(duì)應(yīng)。因此，首先必須準(zhǔn)確、全面地識(shí)別應(yīng)急飛行模式，再根據(jù)不同的應(yīng)急飛行模式確定針對(duì)性的應(yīng)急飛行方案。

應(yīng)急飛行方案的確定過程，是一個(gè)從“故障模式”到“應(yīng)急飛行模式”再到“應(yīng)急飛行方案”逐步收斂的過程，如圖1所示。其中，故障模式識(shí)別和故障預(yù)案制定，主要是通過載人航天器系統(tǒng)級(jí)故障模式影響分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)等方法分析故障模式，并針對(duì)有在軌補(bǔ)償措施的故障模式制定故障預(yù)案，具體可參考文獻(xiàn)[5，9]，本文不展開介紹。應(yīng)急飛行模式的識(shí)別，采用基于識(shí)別矩陣的方法，綜合考慮功能和時(shí)間兩個(gè)維度，以確保預(yù)先設(shè)計(jì)的應(yīng)急飛行方案能夠覆蓋載人航天器全部系統(tǒng)功能故障和整個(gè)飛行過程。

1.1 建立應(yīng)急飛行模式識(shí)別矩陣

為確保應(yīng)急飛行模式識(shí)別的準(zhǔn)確性和全面性，本文以載人航天器故障模式為線索，通過故障發(fā)生的飛行階段、涉及的系統(tǒng)功能、按照故障預(yù)案處置后對(duì)系統(tǒng)功能的影響、能否繼續(xù)按照正常飛行方案飛行、對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響等分析要素，進(jìn)行應(yīng)急飛行模式識(shí)別，建立識(shí)別矩陣(如表1所示)。

表1 應(yīng)急飛行模式識(shí)別矩陣Table 1 Identified matrix of emergency flight modes

(1)故障模式。對(duì)載人航天器所有故障模式逐一進(jìn)行分析、識(shí)別，包括載人航天器自身故障和影響載人航天器飛行狀態(tài)的大系統(tǒng)接口故障，如運(yùn)載火箭入軌軌道過低、目標(biāo)飛行器姿態(tài)失控等。

(2)飛行階段。明確故障模式所發(fā)生的飛行階段。飛行階段是根據(jù)載人航天器飛行任務(wù)規(guī)劃和自身功能特點(diǎn)人為劃分的，如發(fā)射段、交會(huì)對(duì)接段、組合體段等。故障模式可能發(fā)生在某個(gè)或多個(gè)飛行階段。

(3)系統(tǒng)功能。明確故障模式所涉及的系統(tǒng)功能。載人航天器系統(tǒng)功能可分為基本功能和任務(wù)功能。載人航天器在預(yù)定軌道上運(yùn)行所必備的功能，稱為基本功能，如姿態(tài)軌道控制、供配電等；載人航天器完成工程總體或用戶的任務(wù)目標(biāo)所必備的功能，稱為任務(wù)功能，如交會(huì)對(duì)接、組合體停靠、推進(jìn)劑補(bǔ)加等。

(4)按故障預(yù)案處置后對(duì)系統(tǒng)功能的影響。明確按故障預(yù)案處置后對(duì)系統(tǒng)功能的影響，包括“恢復(fù)”、“降級(jí)”和“失效”。若按照故障預(yù)案處置后故障消失，則對(duì)系統(tǒng)功能的影響為“恢復(fù)”；若處置后故障被隔離，系統(tǒng)功能部分喪失，則對(duì)系統(tǒng)功能的影響為“降級(jí)”；若處置后故障仍存在，系統(tǒng)功能全部喪失，則對(duì)系統(tǒng)功能的影響為“失效”。

(5)能否繼續(xù)按照正常飛行方案飛行。根據(jù)故障處置后對(duì)系統(tǒng)功能的影響，判斷能否繼續(xù)按照正常飛行方案飛行，包括“是”和“否”2種情況。故障處置后系統(tǒng)功能恢復(fù)，通常能夠繼續(xù)按照正常飛行方案飛行；故障處置后系統(tǒng)功能降級(jí)或失效，通常不能繼續(xù)按照正常飛行方案飛行，此時(shí)識(shí)別為應(yīng)急飛行模式。需要說明的是，由于載人航天器交會(huì)對(duì)接飛行具有嚴(yán)格的時(shí)序約束，往往在發(fā)生故障后，即使系統(tǒng)功能恢復(fù)，也不能繼續(xù)按照正常飛行方案飛行。

(6)對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響。明確應(yīng)急飛行模式下對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響，包括“繼續(xù)”、“降級(jí)”和“取消”。應(yīng)急飛行模式下，部分系統(tǒng)功能降級(jí)或失效，但可以完成既定任務(wù)目標(biāo)(如交會(huì)對(duì)接、推進(jìn)劑補(bǔ)加等)，則影響為“繼續(xù)”；應(yīng)急飛行模式下，部分系統(tǒng)功能降級(jí)或失效，只能完成部分既定任務(wù)目標(biāo)，則影響為“降級(jí)”；應(yīng)急飛行模式下，部分系統(tǒng)功能降級(jí)或失效，無法完成既定任務(wù)目標(biāo)，為確保航天員安全，需要應(yīng)急返回，則影響為“取消”。

按照表1，對(duì)系統(tǒng)級(jí)故障模式逐一進(jìn)行分析、識(shí)別，可確保從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2個(gè)維度覆蓋載人航天器整個(gè)飛行階段和全部系統(tǒng)功能。為便于應(yīng)急飛行方案庫的構(gòu)建，對(duì)識(shí)別出的應(yīng)急飛行模式按照系統(tǒng)功能影響、飛行階段和對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響進(jìn)行分類、匯總，見表2。

表2 識(shí)別出的應(yīng)急飛行模式匯總Table 2 Summary of identified emergency flight modes

注：填寫格式為“對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響+應(yīng)急飛行模式數(shù)”，無應(yīng)急飛行模式時(shí)，用“/”表示。

1.2 設(shè)計(jì)應(yīng)急飛行方案

針對(duì)每種應(yīng)急飛行模式，都應(yīng)預(yù)先設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的應(yīng)急飛行方案，形成應(yīng)急飛行方案庫，便于飛行控制過程中快速?zèng)Q策實(shí)施。

1)設(shè)計(jì)原則

應(yīng)急飛行方案應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。①全面性原則：對(duì)識(shí)別出的應(yīng)急飛行模式，均有相應(yīng)的應(yīng)急飛行方案，以確保載人航天器在軌出現(xiàn)故障進(jìn)入應(yīng)急飛行模式后均能以確定的狀態(tài)飛行，繼續(xù)任務(wù)或取消任務(wù)。②歸一化原則：同一系統(tǒng)功能在不同飛行階段的應(yīng)急飛行模式，應(yīng)盡可能對(duì)應(yīng)同一種應(yīng)急飛行方案，對(duì)飛行任務(wù)目標(biāo)影響相同的應(yīng)急飛行模式，應(yīng)盡量對(duì)應(yīng)同一種應(yīng)急飛行方案，以減少應(yīng)急飛行方案數(shù)，便于地面測(cè)試覆蓋全面，也便于飛行控制過程中快速?zèng)Q策實(shí)施。

2)一般設(shè)計(jì)方法

應(yīng)急飛行方案應(yīng)圍繞應(yīng)急飛行模式匯總(見表2)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要考慮系統(tǒng)功能異常(降級(jí)或失效)情況下，如何使載人航天器以確定的飛行狀態(tài)繼續(xù)任務(wù)、完成部分任務(wù)或取消任務(wù)。一般設(shè)計(jì)方法為：①對(duì)影響航天員安全的系統(tǒng)功能(如熱管理功能)異常，應(yīng)取消任務(wù)，實(shí)施航天員應(yīng)急撤離[7]或自主應(yīng)急返回[9]。②對(duì)影響載人航天器平臺(tái)安全的系統(tǒng)功能(如供配電功能)異常，應(yīng)降低整器負(fù)載，再根據(jù)能量平衡情況繼續(xù)任務(wù)，或取消任務(wù)應(yīng)急返回。③對(duì)影響完成既定任務(wù)的系統(tǒng)功能(如交會(huì)對(duì)接功能)異常，應(yīng)盡快切換至備份，以備份狀態(tài)繼續(xù)飛行任務(wù)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要在上述一般設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)載人航天器自身的任務(wù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具體的應(yīng)急飛行方案。

3)命名原則

應(yīng)急飛行方案通常按照“飛行階段+對(duì)系統(tǒng)功能的影響+對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響”的形式命名，以便于飛行控制人員直觀地理解和掌握什么時(shí)候在什么情況下需要使用該應(yīng)急飛行方案，以及清楚地了解使用后對(duì)任務(wù)的影響。同時(shí)，為方便使用，在確保沒有歧義的情況下，可以對(duì)飛行方案的名稱進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。其中：一種應(yīng)急飛行方案覆蓋同一系統(tǒng)功能在不同飛行階段的應(yīng)急飛行模式時(shí)，飛行階段在名稱中可以省略；一種應(yīng)急飛行方案覆蓋對(duì)飛行任務(wù)目標(biāo)影響相同的應(yīng)急飛行模式時(shí)，飛行階段和對(duì)系統(tǒng)功能的影響在名稱中均可省略。

2 在天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船中的應(yīng)用

天舟貨運(yùn)飛船是我國(guó)載人航天工程的重要組成部分，主要任務(wù)是為空間站運(yùn)輸貨物和補(bǔ)加推進(jìn)劑，并將空間站廢棄物帶回大氣層燒毀。首艘貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)在2017年4月20日成功發(fā)射，9月22日受控離軌，圓滿完成了飛行任務(wù)[10]。天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船應(yīng)急飛行方案庫采用了基于識(shí)別矩陣的方法，具體過程如下。

1)識(shí)別應(yīng)急飛行模式

以天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船故障預(yù)案中上百項(xiàng)故障模式為線索，建立應(yīng)急飛行模式識(shí)別矩陣。針對(duì)每項(xiàng)故障模式，分析按故障預(yù)案處置后對(duì)系統(tǒng)功能的影響和對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響，明確能否繼續(xù)按照正常飛行方案飛行。

以“太陽電池翼單翼未展開”、“太陽電池翼雙翼未展開”、“目標(biāo)飛行器控制組合體姿態(tài)異?！?種典型故障模式為例，可覆蓋系統(tǒng)功能降級(jí)任務(wù)繼續(xù)、系統(tǒng)功能失效任務(wù)降級(jí)和系統(tǒng)功能失效任務(wù)取消3種典型應(yīng)急飛行模式。建立應(yīng)急飛行模式識(shí)別矩陣,如表3所示。其中：①當(dāng)交會(huì)對(duì)接段出現(xiàn)“太陽電池翼單翼未展開”故障時(shí)，經(jīng)故障處置無效，將導(dǎo)致整船供配電功能降級(jí)，不能按照正常飛行方案飛行，需要降低整船負(fù)載功率，繼續(xù)交會(huì)對(duì)接。②當(dāng)交會(huì)對(duì)接段出現(xiàn)“太陽電池翼雙翼未展開”故障時(shí)，經(jīng)故障處置無效，將導(dǎo)致整船供配電功能失效，不能按照正常飛行方案飛行，需要降低整船負(fù)載功率，取消交會(huì)對(duì)接，應(yīng)急離軌。③當(dāng)組合體段出現(xiàn)“目標(biāo)飛行器控制組合體姿態(tài)異?！惫收?大系統(tǒng)接口故障)時(shí)，經(jīng)(目標(biāo)飛行器)故障處置無效，將導(dǎo)致組合體?？抗δ苁?，不能按照正常飛行方案飛行，需要由貨運(yùn)飛船控制組合體姿態(tài)，繼續(xù)組合體飛行。由于目標(biāo)飛行器姿態(tài)控制異常，后續(xù)需要目標(biāo)飛行器配合的任務(wù)(如繞飛)等無法進(jìn)行，任務(wù)降級(jí)。

在應(yīng)急飛行模式識(shí)別矩陣中，經(jīng)故障處置后不能繼續(xù)按照正常飛行方案飛行的故障模式，均為應(yīng)急飛行模式。按照系統(tǒng)功能、飛行階段和對(duì)任務(wù)目標(biāo)的影響進(jìn)行分類、匯總，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船應(yīng)急飛行模式約幾十項(xiàng)。舉例說明，在表3的基礎(chǔ)上，識(shí)別出“供配電功能降級(jí)繼續(xù)任務(wù)”、“供配電功能失效任務(wù)取消”、“組合體?？抗δ苁蝿?wù)降級(jí)”3項(xiàng)應(yīng)急飛行模式，如表4所示。

2)應(yīng)急飛行方案設(shè)計(jì)

按照應(yīng)急飛行方案設(shè)計(jì)原則，分析、合并應(yīng)急飛行模式，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)出天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船應(yīng)急飛行方案十余項(xiàng)，形成應(yīng)急飛行方案庫。舉例說明，在表4的基礎(chǔ)上，針對(duì)“供配電功能降級(jí)繼續(xù)任務(wù)”應(yīng)急飛行模式，設(shè)計(jì)“降低整船負(fù)載繼續(xù)交會(huì)對(duì)接應(yīng)急飛行方案”；針對(duì)“供配電功能失效任務(wù)取消”應(yīng)急飛行模式，設(shè)計(jì)“降低整船負(fù)載取消交會(huì)對(duì)接應(yīng)急離軌”應(yīng)急飛行方案；針對(duì)“組合體?？抗δ苁蝿?wù)降級(jí)”應(yīng)急飛行模式，設(shè)計(jì)“貨運(yùn)飛船控制組合體”應(yīng)急飛行方案。其中，“貨運(yùn)飛船控制組合體”應(yīng)急飛行方案，直接應(yīng)用于天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船控制組合體在軌試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并經(jīng)過了在軌驗(yàn)證?？刂凭葷M足要求，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

表3 天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船應(yīng)急飛行模式識(shí)別矩陣(例)Table 3 Identified matrix of emergency flight modes for Tianzhou-1 cargo spaceship

表4 識(shí)別出的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船應(yīng)急飛行模式匯總(例)Table 4 Summary of identified emergency flightmodes for Tianzhou-1 cargo spaceship

3 結(jié)束語

本文以載人航天飛行任務(wù)為研究背景，針對(duì)載人航天器“一度故障工作、二度故障安全”的高可靠、高安全要求，提出了一種基于識(shí)別矩陣的應(yīng)急飛行方案庫構(gòu)建方法，可以從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)維度覆蓋載人航天器全部系統(tǒng)功能和整個(gè)飛行過程。在載人航天器在軌出現(xiàn)故障進(jìn)入應(yīng)急飛行模式的情況下，按照相應(yīng)的應(yīng)急飛行方案，可確保航天員的安全，并盡可能完成既定飛行任務(wù)。面向未來載人航天自主化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，后續(xù)將研究載人航天器應(yīng)急飛行方案在軌自主規(guī)劃方法。

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