神舟飛船出艙活動故障模式和對策的設計與實踐

于 瀟 馬曉兵 茍仲秋

(中國空間技術研究院,北京 100094)

1 引言

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

出艙活動任務復雜,具有飛行事件多、航天員操作事件與指令程序匹配邏輯關系強的特點[2-5]。為確保航天員安全和出艙活動任務的可靠性,以正常出艙活動程序飛行事件為線索,對影響出艙活動任務成敗的事件,分別按照時域和空域進行功能分析,在綜合出艙活動故障樹分析(FTA)和失效模式與影響分析(FMEA)[6-9]結果基礎上,設計了多種出艙活動故障模式與對策和出艙活動應急飛行程序,對出艙活動的成功完成發(fā)揮了重要的保障作用。

2 出艙活動故障模式與對策的設計方法

出艙活動故障模式與對策設計與神舟飛船的功能和飛行任務緊密相關,出艙活動核心程序雖為串行操作事件,但對操作的時序性和任務時間的匹配性要求高,關鍵事件未能在預定時間內完成,將可能直接導致出艙活動的中止甚至無法進行。為提高出艙活動可靠性,本文提出了以飛行事件分析為基礎的出艙活動故障模式與對策的設計方法,其設計思想如下:

1)進行出艙活動飛行事件劃分。將出艙活動飛行任務按階段劃分為各飛行事件,進行出艙活動飛行事件分析,并以影響出艙活動成敗的關鍵要素,明確出艙活動關鍵事件。

2)進行出艙活動故障模式設計。以系統(tǒng)功能FTA和FMEA為主,飛行事件功能失效分析為輔,確定出艙活動故障模式。通過系統(tǒng)FTA可以識別潛在的系統(tǒng)故障模式和災難性危險因素,發(fā)現(xiàn)可靠性和安全性薄弱環(huán)節(jié);通過飛行事件功能失效分析,使得分析更加細致和有針對性,并與飛行任務更加有貼近性。

3)進行出艙活動各飛行事件的時域、空域功能分析。通過飛行事件中的信息傳遞關系、時序關系、空域協(xié)作關系分析,明確參與執(zhí)行飛行事件的設備工作模式和承擔的任務功能,作為出艙活動故障對策的設計條件。

4)進行在軌故障對策設計。結合出艙活動功能分析和FMEA分析結果,并利用功能的降級、重構進行在軌故障對策設計。

神舟飛船出艙活動故障模式與對策的設計方法如圖1所示。

圖1 神舟飛船出艙活動故障模式與對策的設計方法Fig.1 Design method of Shenzhou spaceship' s extravehicular activity failure modes and countermeasures

3 出艙活動故障模式與對策設計

3.1 出艙活動飛行事件及故障模式分析

神舟飛船執(zhí)行出艙活動任務,綜合考慮了運行軌道、地面測控、能源平衡、姿態(tài)控制和空間環(huán)境適應性等多種約束條件,還考慮了航天員的生理條件、艙外航天服的工作條件等與人相關的約束條件,為此設計了正常飛行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任務,艙外活動時間約30min。

根據(jù)出艙活動各項操作內容和在軌試驗內容,出艙活動在程序上分為4個任務階段,分別為在軌檢查和訓練任務段、出艙前的準備任務段、艙外活動任務段和艙內環(huán)境恢復任務段。通過對出艙活動各階段任務剖面分解后,得到的主要飛行事件及故障模式分析見表1。

表1 出艙活動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)是影響出艙活動成敗的關鍵要素,在故障對策設計上應重點考慮。

3.2 出艙活動故障對策設計

神舟飛船出艙活動故障的處理,以確保航天員安全為首要條件,在保證航天員安全的基礎上,整船功能具有一定可靠性保證的條件下,盡量完成預定出艙活動任務。考慮與其他非載人航天器的顯著不同,神舟飛船出艙活動故障對策設計充分發(fā)揮航天員的主觀能動性,發(fā)揮手動操作在故障處理中的作用。

按照表1分析結果,將其中的故障模式分解到出艙活動各子項功能中,通過設備工作模式和承擔的任務功能分析,進行出艙活動故障對策的設計,設計結果見表2。

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

(續(xù)表2)

3.3 出艙活動應急飛行程序設計

艙外活動過程必須在一定的地面測控支持下進行。受測控條件的限制,如果出艙程序安排不合理導致執(zhí)行超時或由于對故障的處理引起執(zhí)行超時,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能力的條件下,可以通過制定應急出艙飛行程序作為補償措施,提高出艙活動任務成功的可靠性。

為具備多種故障情況下的靈活處置能力,出艙活動應急飛行程序是以任務段落關鍵事件的執(zhí)行情況作為程序啟動的判據(jù),根據(jù)任務段的不同,設計了當圈軌道繼續(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)當圈軌道出艙的延遲出艙程序

考慮艙外活動起始時刻的地面測控約束,將出艙前準備任務段航天員關閉艙外航天服背包門的時間作為地面程序決策判斷點。若航天員關艙外航天服背包門超時不超過20min,考慮整個出艙測控弧段的時間,可以決策繼續(xù)當圈軌道出艙,航天員此后操作順延,開軌道艙艙門的時間相應后延,出艙后縮短艙外活動范圍,減少艙外活動時間,出艙航天員回到軌道艙關艙門時間與正常程序相同,艙內環(huán)境恢復程序與正常程序相同。

2)推遲1圈軌道出艙程序

在出艙前準備任務段,若航天員關艙外航天服背包門超時20min 以上,則改為下一圈軌道出艙。在飛行控制任務實施上,地面注入新的程序。第30圈軌道進入地面測控區(qū)后,航天員報告地面狀態(tài),地面確認可以出艙后,執(zhí)行出艙程序,開艙門之前和之后的程序與此點的順序和時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

在出艙前準備任務段,若正常出艙活動飛行程序中的大流量沖洗未按時進行,則首先恢復船上狀態(tài),脫艙外航天服,軌道艙復壓到常壓,地面注入船上狀態(tài)恢復程序,隨后注入第3 天備份飛行程序中當前時間點之后的程序。

4)1 人出艙程序

若出艙準備任務段1 名航天員出現(xiàn)生理異常,采用1 人出艙程序執(zhí)行出艙活動任務。1 人出艙與2 人出艙程序比較,艙外活動內容適當裁減外,出艙前準備任務段艙外航天服準備過程中的原兩套服裝串行操作改變?yōu)橹粶蕚湟惶追b。操作程序不變。

4 出艙活動故障模式與對策在軌應用

在神舟飛船出艙活動飛行任務中,4 種出艙活動故障對策發(fā)揮了作用。

1)在軌檢查和訓練任務段超時的處理。航天員在軌檢查與訓練任務段操作中,由于操作的復雜性使得部分操作超時,航天員延遲了原計劃的第14圈軌道休息時間,繼續(xù)進行了艙外航天服操作,最終出艙前準備任務段開始時間未變。

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

3)艙門密封圈保護罩套不上。航天員打開艙門操作超時,在地面指揮下,取消了安裝艙門密封圈保護罩工作,進出艙過程未刮碰到艙門密封圈。

4)艙外活動任務段超時的處理對策。航天員完成了出艙展示,揮舞國旗,取潤滑材料操作,縮短了艙外行走的范圍,按照預定時間回到了軌道艙內,后續(xù)關鍵監(jiān)測點均在測控區(qū)內。

5 結束語

出艙活動故障模式與對策設計,充分利用了飛行事件時域、空域分析與系統(tǒng)FTA、FMEA相結合的方法,與傳統(tǒng)FMEA相比,系統(tǒng)功能分析更加細致、分析的內容也較為全面,能夠與出艙活動飛行任務相匹配。

出艙活動故障模式與對策設計結果經(jīng)過了實踐的檢驗,能夠滿足對在軌故障處理的實時性、快速性和準確性的要求,具有較強的工程應用價值。

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