載人航天電子單機在軌維修技術(shù)

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1. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100080 2. 北京市空間電源變換與控制工程研究中心，北京 100080

在人類進行載人航天活動的初期，人們就意識到，航天器昂貴的制造、運營成本，以及高可靠性要求，是制約該領(lǐng)域發(fā)展的重要瓶頸。有科學(xué)家預(yù)測：考慮人為控制和維護因素的情況時，可以增加太空任務(wù)約70%的成功率，所以維修任務(wù)是載人飛行器在軌任務(wù)的主要組成部分之一。例如在國際空間站的上行物資中，維修備件約占到了1/4[1]，在一定程度上反映了在軌維修的重要性。

在軌維修技術(shù)在國際空間站上的成功應(yīng)用，促進了國內(nèi)在軌維修技術(shù)的發(fā)展[2-9]。當(dāng)前國內(nèi)研究成果在整星及系統(tǒng)層面的維修性理論應(yīng)用、在軌維修單元(Orbital Replaceable Unit，ORU)的壽命預(yù)計，以及總結(jié)維修性設(shè)計要素做出了巨大貢獻，但是現(xiàn)有研究成果缺少對單機維修性技術(shù)的理論分析和驗證。國外在軌故障的統(tǒng)計結(jié)果顯示，供配電及綜合電子類設(shè)備的故障比例達到48%以上[9]。所以針對電子單機類設(shè)備在軌維修技術(shù)的研究，對提高中國空間站電子設(shè)備可靠性和維修水平，以及降低未來中國空間站運營成本具有重要意義。

1 ORU的選擇流程分析

目前國內(nèi)對如何確定ORU的方法研究主要集中在單機層面以上。文獻[1-2]從保證整星功能正常運行的角度論述了ORU確定方法，文獻[3]給出了分系統(tǒng)級別的ORU劃分原則和劃分決策。所以開展載人電子單機內(nèi)部ORU選擇流程及維修性分析的研究顯得十分必要。

電子單機搭載的元器件和電路失效是電子單機的主要失效模式，故障時機難以預(yù)測，相對于預(yù)防性維修策略，電子單機以修復(fù)性維修為主。即在單機發(fā)生故障時，將故障定位到內(nèi)部ORU級別，并更換故障ORU，最終恢復(fù)單機功能。

電子單機內(nèi)部ORU的選擇首先要求單元搭載的電路功能獨立，其次需要綜合考慮可靠性、測試性、可達性等因素。另外，不同于其他類型設(shè)備，電子單機中的供配電產(chǎn)品屬于發(fā)熱設(shè)備，因此要求設(shè)備表面及可能被航天員接觸的部位溫度可檢測，防止航天員執(zhí)行維修任務(wù)時由于溫度過高而產(chǎn)生不適感，甚至燙傷。選擇流程如圖1所示。

除了上述必須考慮的因素以外，還要盡量使同一ORU上搭載的元器件可靠性指標盡量接近，避免浪費資源，即需要考慮保障資源代價。

2 電子單機維修性分析

平均修復(fù)時間[10](Mean Time To Repair，MTTR)TMTTR是最常用的維修性指標。電子單機維修性分析包括維修性分配、維修性預(yù)計和維修性評價三部分內(nèi)容。首先將整機的維修性指標分配到ORU級，再進行該級別和單機級別的維修性預(yù)計，對于沒有達到維修性指標要求的ORU需進行設(shè)計改進。在產(chǎn)品研制完成后，最終通過維修性試驗對分配的維修性指標做出評價。

2.1 維修性分配

在接收到上級分配給電子單機的TMTTR后，應(yīng)在設(shè)計的初始階段，根據(jù)故障模式分析和可靠性預(yù)計結(jié)果，確定各部分電路的失效模式和失效率，完成指標向各ORU的初步分配工作，并在設(shè)計過程中，對分配結(jié)果進行反復(fù)修正。

對于已獲得可靠性數(shù)據(jù)和設(shè)計方案等資料時的維修分配方法，可以選擇按故障率和設(shè)計特性的“綜合加權(quán)分配法”[11]。分配模型如下：

(1)

(2)

式中：Kij為第i個ORU的第j項加權(quán)因子；m為加權(quán)因子項數(shù)。文獻[11]指出，對于電子系統(tǒng)，可以考慮6種維修性加權(quán)因子，即m=6。分別代表復(fù)雜性因子、故障定位隔離技術(shù)因子、裝配因子、可達性因子、可裝卸性因子和維修環(huán)境因子。

2.2 維修性預(yù)計

電子單機中維修ORU時間為維修步驟所需時間的累加。首先需要分析電子單機更換ORU操作流程及內(nèi)容(如圖2所示)，并要求所有操作內(nèi)容均可以分解成基本操作。

基本操作是指如拆卸螺釘、扳動把手及插拔板卡等對于一般人無需訓(xùn)練或簡單訓(xùn)練就能完成的操作。此時還要對每步基本操作對象的外形、規(guī)格和質(zhì)量指標進行詳細說明，這樣做的優(yōu)勢在于首先降低了航天員在軌維修難度，其次便于根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)預(yù)計操作時間，最后有利于分析空間失重環(huán)境對操作的影響。分解完成后，可以計算維修第i個ORU的平均修復(fù)時間：

(3)

(4)

2.3 維修性評價

單機研制完成后，需要通過維修性試驗進行維修性評價[12]。

設(shè)X為維修時間的隨機變量，μ和σ2分別為樣本的均值和方差，n為樣本總數(shù)。X1，X2,…,Xi,…,Xn為隨機變量X的一組樣本值，則樣本的點估計值為：

(5)

樣本方差的點估計值為：

(6)

平均維修時間的單側(cè)置信上限為：

(7)

式中：Z1-α為正態(tài)分布的1-α分位點；α為相關(guān)文件中約定的風(fēng)險系數(shù)。

3 電子單機在軌維修關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

電子單機在軌維修技術(shù)的關(guān)鍵點主要在于ORU的設(shè)計方法。文獻[5]將航天器星載接口業(yè)務(wù)協(xié)議運用于ORU接口設(shè)計中，總結(jié)了ORU接口設(shè)計準則，但是實現(xiàn)方法論述不足；文獻[6]提供了支持在軌維修的機箱實例參考，但是由于電氣連接特點，必須安裝在機架上使用，限制了使用范圍，對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)如何獲取和驗證也沒有加以說明。電子單機維修性設(shè)計技術(shù)需要以維修理論為導(dǎo)引，進一步細化并完善各項技術(shù)。

在電子單機進行維修性設(shè)計的初始階段，即對內(nèi)部ORU進行“維修性分配”時，λi通過計算或試驗獲得后，Kij的取值對TMTTRi具有決定性影響。其中復(fù)雜性因子由單機需要實現(xiàn)的功能決定，維修性設(shè)計需在此約束條件下開展。故障定位隔離技術(shù)因子、裝配因子、可達性因子、可裝卸性因子則揭示了3個改進維修性設(shè)計的技術(shù)方向，即故障定位隔離技術(shù)、快速拆裝技術(shù)及可達性設(shè)計技術(shù)。維修環(huán)境因子主要考慮空間環(huán)境對航天員生理和心理的影響，所以還要開展人機工效學(xué)設(shè)計。

3.1 故障定位隔離技術(shù)及應(yīng)對策略

故障定位隔離是開展電子單機在軌維修操作的前提。以某航天器搭載的智能配電單元為例，介紹在軌故障定位隔離及應(yīng)對策略。

智能配電單元基本功能是完成電能的分配與傳輸，并實現(xiàn)故障檢測、預(yù)警及隔離。故障定位隔離是開展在軌維修操作的前提，能夠?qū)⒐收隙ㄎ恢镣ǖ兰墸瑸楹罄m(xù)宇航員在軌進行組件級維修提供判據(jù)。其主要思路是通過各測試點遙測信號建立故障數(shù)據(jù)庫。單機實時采樣電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，與內(nèi)嵌在存儲器中的故障數(shù)據(jù)比較，當(dāng)偏差在容許范圍之外時，表示出現(xiàn)故障，并通過與故障模式和關(guān)鍵參數(shù)比較，對故障進行準確定位、分析和判斷，并啟動相應(yīng)故障應(yīng)對預(yù)案，對故障組件進行更換。更換完成后，地面通過采集到的遙測信號判斷單機工作是否正常，再確定是否完成維修任務(wù)。

智能配電單元由輔助供電組件、智能組件和配電組件三類ORU構(gòu)成。ORU為最小維修單元，因此智能配電單元的故障模式應(yīng)能夠定位到ORU級。單機功能層次如圖3所示。

根據(jù)智能配電單元故障類型，定位維修部位如表1所示。

當(dāng)故障發(fā)生時，有以下3種應(yīng)對方案[13-15]：

1)智能配電單元硬件或用電負載發(fā)生故障時，依靠故障隔離電路將故障切斷，避免故障蔓延，采用的方法包括單機入口及二次電源輸入端的熔斷器、一次供電電路與二次電路隔離設(shè)計、固態(tài)功率控制器的短路保護技術(shù)和I2t反時限保護等；

2)由于環(huán)境因素造成的器件級故障，其特點是變化緩慢，應(yīng)對策略是通過將關(guān)鍵電路或器件的監(jiān)測點信號數(shù)據(jù)上傳給能源管理器或地面計算機，由上級通過對歷史和現(xiàn)行數(shù)據(jù)進行對比判斷，得出該電路或器件是否將要發(fā)生故障的判斷。例如對關(guān)鍵元器件的溫度變化可能造成的故障就是采用這種診斷方式；

3)對于某些關(guān)鍵設(shè)備，即使在發(fā)生故障時仍然需要維持正常運行，此時應(yīng)在單機內(nèi)部采取冗余設(shè)計，并且將備份電路分布在不同維修組件中。當(dāng)需要對故障電路所在組件進行更換時，首先發(fā)送指令切斷電路輸出開關(guān)，通過遙測參數(shù)確認輸出斷開后，再控制上游設(shè)備停止供電輸入，并再次通過遙測參數(shù)確認輸入已中斷后，開展針對故障組件的更換操作。

表1 故障類型

3.2 快速拆裝技術(shù)

電子單機通常使用緊固件連接各模塊，傳統(tǒng)緊固件拆卸后會在失重條件下漂移，抓取困難。電子單機在軌可維修機箱的ORU通過松不脫螺釘固定。其特點是無論連接結(jié)構(gòu)和被連接結(jié)構(gòu)是否緊固在一起，松不脫螺釘始終不會與連接結(jié)構(gòu)分離，且解除緊固后，在松不脫螺釘內(nèi)部彈簧作用下，螺釘頭彈出一定距離，給航天員以視覺反饋，提示螺釘鎖定解除。

對于板卡式ORU，優(yōu)先使用鎖緊楔形條夾緊PCB的側(cè)邊，此時裝配因子為1，而螺釘固定裝配因子為2，前者維修性更優(yōu)。但是要注意在經(jīng)歷振動環(huán)境時，兩者固定ORU的效果是不同的。在力學(xué)仿真環(huán)境中，螺釘固定邊緣可以認為是固定邊約束；鎖緊楔形條固定邊緣則需要通過反映其剛度特性的百分比穩(wěn)定度來描述[16]，如圖4所示。

此時改善模態(tài)頻率計算結(jié)果精度：

fn=fs+Pf(ff-fs)

(8)

式中：fn為改善后的頻率計算結(jié)果；fs為有簡單支撐邊的PCB組件固有頻率；ff為有固定邊的PCB組件固有頻率；Pf為由圖4得出的PCB組件的百分比穩(wěn)定度。利用圖4中的相似三角形求得：

(9)

聯(lián)立式(8)和式(9)，有：

(10)

利用力學(xué)仿真軟件進行模態(tài)分析，將計算結(jié)果fs和ff帶入式(10)，得到改善后的模態(tài)基頻fn，可以用來準確評價ORU板卡動力學(xué)特性，及其對機箱內(nèi)部其他模塊的影響。

3.3 可達性設(shè)計

執(zhí)行維修任務(wù)時，要求機箱不同部位、標識清晰可見，并分配足夠的操作空間。開展具體設(shè)計工作時，首先要明確機箱安裝位置和方向，艙內(nèi)照明情況(照射亮度、角度等)，獲取允許最大操作空間包絡(luò)。這樣做的目的是先確定維修操作的約束條件，再來設(shè)計單機內(nèi)部的布局、維修操作方式及備用ORU、線纜的臨時固定和保護措施。最后利用仿真軟件對ORU拆卸和安裝過程進行仿真分析，確保操作過程中無干涉情況發(fā)生，并注意要在機箱及ORU上設(shè)計合理的握持位置。

3.4 人機工效學(xué)設(shè)計

人機工效學(xué)設(shè)計的核心思想是“以人為中心”，在產(chǎn)品設(shè)計中考慮周圍環(huán)境對人的生理和心理上影響。由于載人航天器上空間有限，同時受到失重及航天員著裝的影響，航天員的身體姿態(tài)、施力特征、反應(yīng)特性均與地面環(huán)境有較大區(qū)別。電子單機在軌維修機箱的設(shè)計要充分考慮上述條件，保證維修活動與限制條件相兼容。

(1)接觸溫度

電子單機一般為發(fā)熱設(shè)備，執(zhí)行維修任務(wù)前需要確定單機表面與人體可能接觸位置的溫度，保證航天員維修操作時的體感溫度在適宜范圍(4～49℃，設(shè)計目標40℃)內(nèi)。需要獲得的溫度數(shù)據(jù)包括：單機表面最高和最低溫度、可能連續(xù)接觸位置的溫度(不高于45℃)、可能偶爾或瞬間接觸位置的溫度。對于電子單機，最高溫度一般出現(xiàn)在熱耗較大、發(fā)熱器件布置密級區(qū)；最低溫度出現(xiàn)在遠離上述區(qū)域的位置；機箱外表面、ORU金屬結(jié)構(gòu)屬于連續(xù)接觸區(qū)；ORU上的電子元器件屬于偶爾或瞬間接觸位置區(qū)。

(2)防差錯與標準化設(shè)計

在支持在軌維修的電子單機中，為了防止宇航員由于誤操作而導(dǎo)致元器件損壞，ORU的機械連接應(yīng)先于電氣連接。在設(shè)計時，不同類型的ORU機械接口不同，這樣設(shè)計的好處是對于特定的一個安裝位置，只有機械接口匹配的ORU進入到該位置后，電路才能連通，使機箱機械結(jié)構(gòu)具有防差錯的特點；對于同類型ORU，電氣及機械接口應(yīng)相同，可以順利互換，目的是最大程度減少備用ORU數(shù)量和種類，從而減輕上行質(zhì)量。

(3)標識設(shè)計

航天器電子設(shè)備種類及數(shù)量繁多，為了便于航天員識別不同設(shè)備及上面的操作接口，預(yù)測操作風(fēng)險，順利開展在軌維修操作，在軌維修電子單機一般設(shè)計三類識別標記：第一類是接口標識，如對外電連接器標識(用來指示插座和插頭的對應(yīng)關(guān)系)、安裝孔位標識(用來指示單機安裝方向)及操作接口標識；第二類是ORU標識，用來指示不同ORU與機箱內(nèi)部安裝位置的對應(yīng)關(guān)系；第三類是警示標識，用來提示操作風(fēng)險，如在高于安全電壓的電連接器附近粘貼高壓警示標識等。

(4)可操作性設(shè)計

人機工效學(xué)中的可操作性設(shè)計主要圍繞提高操作快捷和舒適程度開展工作。首先要了解航天員的人體數(shù)據(jù)，然后在此限定條件下優(yōu)化操作對象的參數(shù)，如形狀、尺寸、鎖緊方式、插拔力、旋轉(zhuǎn)扭矩、抓握面形狀及表面狀態(tài)(如是否有防滑措施)，最后給出航天員的操作姿態(tài)和施力方式，操作姿態(tài)包括手指操作和抓握操作，單手操作和雙手操作，單人操作和多人操作等，施力方式如推拉操作和旋轉(zhuǎn)操作等。

失重狀態(tài)下航天員的施力方式和大小會受到顯著影響，所以對ORU操作力方向和大小均有限定。以板卡式ORU機箱為例，運用簡單機械原理(如杠桿原理)插拔ORU。

首先明確設(shè)計約束：

1)穿戴約束：例如航天員是否佩戴手套。

2)操作力約束：ORU所需最大拔出力和插入力。

3)人因約束：大拇指按壓力不大于30 N[17]，操作手柄長度不小于12 mm。

4)材料約束：操作時相互擠壓接觸的材料不能發(fā)生永久性變形。

在上述約束條件下，以杠桿原理為例開展助力手柄設(shè)計，需要獲得參數(shù)包括操作力、助力手柄長度和寬度。理論模型如圖5所示。

根據(jù)杠桿原理：

(11)

式中：F1為施加在單只助力手柄上的操作力；L1為操作力臂長度，即支點到助力手柄上握持處的長度；F2為板卡上的板間電連接器最大插拔阻力；L2為插拔阻力力臂長度。F1和L1的計算結(jié)果應(yīng)滿足約束條件，即：

F1≤30N,L1≥12 mm

助力手柄如圖6所示。

在板卡插拔過程中，助力手柄與側(cè)壁接觸擠壓，需設(shè)計足夠的接觸尺寸，防止此時產(chǎn)生的壓強造成零件塑性變形，影響維修操作。

假設(shè)機箱助力手柄與側(cè)壁接觸面為圓弧面，對應(yīng)側(cè)壁位置的表面為平面。由赫茲公式計算得到支撐面的最大接觸應(yīng)力：

(12)

(13)

式中：ρ1、ρ2為助力手柄與側(cè)壁接觸面的曲率半徑，因為側(cè)壁為平面，所以ρ2=+∞；E1、E2為兩種零件材料的彈性模量；μ1、μ2兩種零件材料的泊松比；P為接觸壓力；b為助力手柄受力面的寬度，是需要計算的設(shè)計尺寸；G為板卡質(zhì)量。

金屬結(jié)構(gòu)件的安全裕度如下：

(14)

式中：M為安全裕度；[σ]為結(jié)構(gòu)材料的屈服極限應(yīng)力；f為安全系數(shù)，對于電子單機一般取值1.5。如果M>0，則認為零件表面不會發(fā)生塑性變形，可以保證板卡插拔操作順利進行。通過式(12)～(14)，計算滿足使用條件b的最小結(jié)果。

4 在軌實施

編號平均故障率/h-1TMTTRi/minT'MTTRi/minXu/min ORU10.0081365ORU20.0051954ORU30.011488

“智能配電單元”在軌運行階段，實施了3次在軌維修試驗。航天員順利完成了板卡式ORU的插拔更換試驗任務(wù)，每次耗時約15 min，小于地面試驗預(yù)計指標，維修操作反饋良好。航天員撤離后，在自主飛行階段對維修后的單機加電運行，地面根據(jù)在軌運行狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)判斷，單機工作狀態(tài)正常，維修試驗圓滿成功。

5 結(jié)束語

本文從提高載人航天電子單機可靠性出發(fā)，提出了適用于在軌維修電子單機的維修性設(shè)計方法。通過分析，可以得到以下結(jié)論：

1)ORU的選擇對維修性設(shè)計具有重要影響；

2)智能配電設(shè)備的故障定位技術(shù)為實現(xiàn)板卡級在軌維修奠定了技術(shù)基礎(chǔ)；

3)利用維修性理論開展載人航天電子單機的維修性設(shè)計，在產(chǎn)品方案設(shè)計階段開展分配和預(yù)測維修性指標，指明了維修性設(shè)計的優(yōu)化方向；

4)產(chǎn)品研制完成后，利用平均修復(fù)時間作為評價指標，判斷維修性設(shè)計結(jié)果是否滿足維修性要求的方法切實可行；

5)在軌維修任務(wù)的成功實施，證明綜合了故障定位隔離、快速拆裝、可達性技術(shù)及人機工效學(xué)的維修性設(shè)計方法是克服空間環(huán)境障礙、順利實施電子單機在軌維修操作的有效途徑。

隨著中國空間站項目的推進，開展艙外設(shè)備在軌維修任務(wù)勢在必行。國際空間站上“盒式”O(jiān)RU設(shè)計，以及利用“K”系數(shù)[18]計算“期望維修時間”的方法為國內(nèi)科研工作者提供了參考。如何建立適合中國空間站艙外維修任務(wù)的理論計算模型，并建立環(huán)境因素與維修技術(shù)之間的聯(lián)系，將是需要進一步開展的工作。