空間站環控生保分系統RMS設計思路和若干關鍵技術分析

楊擁民，吳志強

（1國防科技大學裝備綜合保障技術重點實驗室，長沙710043；2中國航天員科研訓練中心，北京100094）

1 需求分析

環控生保分系統是空間站的重要組成部分，由八個基礎性非再生子系統以及五個為實現氧氣、水和消耗性材料循環利用而采用的物化再生子系統共同組成，包括大量的機、電、液、氣、化學對象，并具有多種工作模式和組合形態。從飛船到空間站，環控生保分系統的工作壽命從數天、數十天跨越式延長到10年，需要長時間不間斷運行，對系統的可靠性和安全性提出了極其嚴酷的要求，特別是再生子系統多為新研產品，可靠性安全性工作基礎薄弱。

分系統中多數產品的工作壽命都遠小于空間站的壽命要求，若僅靠冗余備份來滿足空間站總體提出的壽命和可靠度要求，將使空間站平臺設備的數量異常龐大。基于我國當前的技術和經濟實力，并借鑒和平號空間站與國際空間站的經驗，必須在環控生保分系統的設計和研制過程中開展維修性設計，以提高系統的工作壽命與可靠度，同時兼顧貨運飛船的保障，使得環控生保分系統達到可靠性、維修性、保障性的綜合優化。

為實現以上目標，需要突破傳統我國載人航天器以可靠性和安全性為質量主體的設計模式，開展整體的可靠性、維修性、保障性（RMS）設計工作，而大量工作項目的引入會使得分系統的研制過程更加復雜、困難，如何在樣機設計過程中同步、高效開展RMS工作，研制單位缺乏相應的技術積累，我國航天領域也尚無既往成功經驗可循。因此，根據環控生保前期工作的理論探索和設計實踐，探討工程實施思路和一些關鍵技術問題是十分必要的。

2 國外情況分析

國際空間站研制過程中非常重視RMS一體化設計，從并行工程角度將其看出是產品設計工作的重要組成部分。NASA認為空間站的RMS特性之間有著非常密切的相互關系，如圖1所示，可以看到，可靠性、維修性、保障性設計之間需進行設計權衡，保障策略的優化與維修性設計可以直接影響可靠性設計。

圖1 NASA考慮的RMS工作之間的關系

國際空間站中，美國艙和俄羅斯艙采用不同的維修方法。俄羅斯艙以預防性維修為主，不能極大化地發揮產品壽命能力，導致航天員勞動強度大。美國艙采用以可靠性為中心的維修（RCM）方法，通過引進基于條件的維修理論，補充了僅僅基于時間維修的方式，從而大大延長了一些設備的壽命和維修間隔。

國際空間站運行前幾年，良好的維修保障有效保證了環控生保分系統的正常運行，開始運行3年間，總計發射14班次的航天飛機或飛船，以對空間站進行保障補給。分系統維修保障對象主要包括關鍵備件、升級的硬件、故障的ORU、定壽的ORU和工具五類，其中定壽的ORU是保障的主體，其數量和質量均占有較大的比重。通過延長定壽件的使用壽命，有效減少了環控生保分系統的維修保障量。在國際空間站最初上載的備件中，有些備件在實際運行過程暫時沒有使用需求，且由于空間站存儲空間不足，導致備件又被帶回地面。

3 RSM工作設計思路

3.1 設計思路

環控生保分系統RMS設計工作相互依賴，實施過程中需要解決兩個問題：一是由于RMS設計工作的特點是工作項目多，應結合空間站各階段工作的特點，遴選各層次有效的工作項目，并合理掌握各項工作的時機和接口關系，使得RMS設計工作的效能最大化；二是如何將RMS特性融合到分系統的設計工作中，建立RMS一體化設計準則和機制，促成RMS設計工作和系統主功能結構設計的集成化和并行化。

按照GJB450規定，可供選擇的可靠性設計與分析工作項目有13個；GJB368B規定的可供選擇的維修性設計與分析工作項目有6項，還應包括在GJB2547中規定的測試性工作項目；而在GJB1371中規定的可供選擇的保障性分析工作項目就有15項。如此眾多的工作項目和要求，若都在分系統、子系統、ORU、單機等層面開展，將使得工作量異常繁重，應當進行必要的篩選，把握重點環節和重點對象。比如，在可靠性方面，應以分系統層面的可靠性分配和預計為重點，而對于各個ORU，應著重開展可靠性、長壽命詳細設計。在維修性設計方面，ORU的劃分是分系統RMS工作的重要基礎，應作為分系統層面的工作重點之一，并開展ORU的維修性詳細設計和難點維修項目的分析校核。

改進RMS設計與分析的做法，進行RMS一體化設計與分析將有利于提高RMS工作的效率與效益。而要達到這一目的，除管理因素外，最重要的是研究RMS一體化設計與分析的先進技術、方法和手段。可靠性、維修性、保障性指標和可用度之間有明確的數學關系，應圍繞空間站及其環控生保的頂層設計要求，開展RMS一體化指標論證、分配和預計。在結構設計方面，不同構型和安裝條件的單機方案，其可靠性、維修性和保障性可能會導致沖突，需要進行整體的綜合優化和權衡。

3.2 總體設計流程

空間站環控生保分系統開展全任務階段和全系統的RMS設計分析，根據總體規劃的各任務階段環控生保分系統功能，進行分系統層面的可靠性與安全性分析設計，形成建造階段和運行階段各航天器環控生保分系統的配置方案，并在此基礎上展開分系統—子系統—單機層次的RMS分析設計。環控生保分系統RMS設計總體流程如圖2所示。

首先根據空間站任務剖面對環控生保分系統的功能需求、空間站整體的使用與保障方案想定，得到核心艙環控生保分系統功能和組成，為RMS設計提供輸入條件。在此基礎上進行分系統功能的FMECA（故障模式、影響與危害度分析）和危險源初步分析，得到分系統的主要故障模式及危險源，通過分系統的可靠性和安全性頂層設計，為空間站組合體環控生保分系統總體布局和備份設計方案提供支撐，以提高分系統的可靠性與安全性。

然后針對空間站組合體中的各航天器環控生保分系統和子系統，開展RMS詳細設計，保證分系統長時間安全運行。通過各分系統的危險源分析和FMECA詳細分析，得到故障模式以及運行、使用和維修過程的危險源，并以ORU劃分為基礎，開展詳細的可靠性設計、環境適應性設計、安全性設計來提高可靠度和安全性。而對于運行中的故障模式和險情，需要開展測試性設計，以進行準確的故障與危險檢測、預報和定位，其中故障的排除通過維修來實現，進行維修性設計使得維修過程省時、省力、方便。基于可靠性和維修性要素，并結合壽命特征參數分析開展長壽命設計。另外，要利用維修保障性設計提供維修備件資源，形成分系統的維修和保障方案。完成RMS設計后，進行相應的驗證和評估，為轉入初樣階段提供依據。

圖2 空間站環控生保分系統RMS設計總體流程

環控生保分系統RMS設計工作由分系統―子系統―ORU/單機逐層展開。分系統的功能設計和RMS設計并行開展，充分融合、相互支撐，保證分系統方案具有良好的質量特性和綜合保障特性。

4 若干關鍵技術

環控生保分系統RMS的設計重點把握好兩個頂層約束：一是以任務可靠性和安全性為中心，實現10年任務可靠度和安全性定性要求；二是年資源計劃上行量應規劃合理，在貨運飛船可承受的補給能力之內。對于第一個約束，需要分析與測試、維修的耦合關系，開展RMS工作，進行產品設計和定性權衡，使得ORU和單機具有RMS綜合特性；對于第二個約束，主要與ORU的質量、體積和更換數量相關，而在高可靠度要求之下，ORU數量主要和ORU劃分、壽命周期、安全性相關。圍繞這兩個約束的設計，需要突破RMS綜合權衡、ORU劃分、考慮維修的可靠性分配、可靠性和長壽命設計等方面的關鍵技術。

4.1 RMS耦合分析與綜合權衡

環控生保分系統的RMS特性之間互為關聯，在指標論證和詳細設計過程中，要綜合考慮各種約束和需求，周密考慮并權衡好各種方案的優劣，不能隨意提高某項指標，而忽略了其它特性的影響。

4.1.1 完好率指標的權衡

RMS的耦合關系一般通過可用度和完好率兩個指標來建立，屬于宏觀層面。而在可用度模型中，只要系統處于維修狀態就認為系統是不可使用的，這與環控生保的特點并不相符，短時間的停機維修不會導致環境參數的明顯變化，仍能有效保證人的健康和安全，因此，在分系統單機數量多、維修較為普遍的情況下，應重點保證完好率指標的實現，該模型中，即使系統因故障處于維修狀態，只要其維修的時間在系統任務允許的范圍內，就不能認為該次維修影響完好。

環控生保分系統的完好率POR=R（t）+Q（t）×P（tm

4.1.2 備件上行量的權衡

分系統備件上行量的與整體可靠性水平相關，同時又受到ORU質量、壽命周期等因素的影響。根據歐空局的經驗，ORU的最大允許質量取決于其可靠性水平。在分系統的上行資源約束下，需要以FMECA得到的嚴酷度結果為基礎，在確保任務可靠性和航天員安全性的前提下，聯合平均無故障間隔時間MTBF、ORU質量等參數進行優化計算，得到合理的設計要求。

4.1.3 RMS詳細設計權衡

分系統的RMS詳細設計屬于微觀層次，一般以ORU為基本設計單元，根據RMS的定量指標要求，進行高可靠、易維修、好保障的定性設計，需要以產品的功能性能實現為基本要求，結合RMS特性進行綜合優化設計。不同的方案的功能與RMS特性之間、各個RMS特性之間可能存在沖突或者不協調，這樣就要求設計過程中具體分析，尋求優化合理的解決方案。比如，在分系統檢測傳感器的配置設計過程中，需要權衡測試設備的增加對可靠性的影響；為方便維修所采用的快速對接連接器，會帶來新的可靠性薄弱環節，需要增強密封可靠性和插拔耐久性；為實現易維修操作，緊固件的數量應較少、緊固力應較低，但其抗力學環境能力也隨之下降，需要進行權衡設計。

4.2 ORU劃分

ORU的確定是維修性設計的前提和基礎，但進行ORU劃分不僅僅依賴于維修性專業的工作，還需要全面分析對功能性能實現和RMS的影響，進行綜合確定，是一件非常復雜的工作。應以系統功能流程圖為基礎，遵循單元之間的低耦合和單元內部的高內聚原則，充分考慮各種劃分影響因素，制定科學合理的劃分規則和評價方法。

4.2.1 ORU劃分范圍的確定

環控生保分系統的各零部件、產品、單機滿足以下條件的必須列為ORU或者其組成部分：壽命達不到空間站總體設計壽命的對象；壽命周期范圍內可靠性存在不足，會發生故障的對象；壽命未到期但影響安全的單機對象；需要拆卸進行各種檢查、監控、維護的各種預防性維修對象；各種功能消耗件；對于連接件、密封圈、橡膠墊等其它的零部件，如果和ORU功能連接較為緊密，或者是其必要的輔件，也應當列為ORU范圍。

4.2.2 ORU劃分范圍的原則

環控生保分系統ORU的劃分，必須滿足“四要求”：使用和維修安全、不影響功能實現、可拆裝、不會帶來新的可靠性薄弱環節；盡可能滿足的“三要求”：故障可隔離、使用壽命（維修頻率）一致、良好保障性。

由于不同的劃分方案形成的ORU質量和RMS水平會有一定的差異。在劃分過程中，既要根據保障性水平優化確定ORU顆粒度，又要滿足總體給定的安裝空間要求，在總體安裝尺寸不夠的情況下，是增強ORU的集成度還是提出新的空間反約束等，都需要進行綜合權衡。

4.2.3 ORU劃分決策

應制定環控生保各子系統ORU初步劃分的邏輯決斷圖。首先根據環控生保分系統ORU選擇范圍的要求確定系統中需要拆修的各個單機，然后按照ORU的劃分原則和要求，遍歷進行ORU的組合劃分，保證系統劃分的ORU滿足ORU的各項要求，并覆蓋所確定的全部維修更換單機對象。

4.3 考慮維修的可靠性分配方法

環控生保分系統可靠性分配需要充分考慮多組合狀態、多工作模式、多任務階段以及可修系統的特點，從兩個層面展開。一是在可靠性建模過程中，通過提出“ORU集合的概念”，考慮各種維修方式和間隔期對可靠性的影響；二是在分配過程中，給出各個層次針對性的分配方法。

4.3.1 考慮維修的可靠性建模

各再生子系統的可靠性框圖中，每個以ORU名稱命名的方框并不代表一個單獨的ORU，它是基于維修保障策略的一種可靠性組合狀態—“ORU集合”，這種維修保障策略主要包括定期更換維修和偶然故障維修。這里定義包含定期更換維修和偶然故障維修的“ORU集合”為“一級ORU集合”，隨著可靠性分配的向下落實，由“一級ORU集合”進一步分配到只包含偶然故障維修的“ORU集合”，稱為“二級ORU集合”。

4.3.2 可靠性指標分配方法

（1）分配過程

對于環控生保分系統和其各個子系統來說，其使用過程中有大量的定期維修和偶然故障維修，這些維修過程基本保障了其失效率不會隨著時間的推移而發生明顯的變化，所以可以假定分系統和子系統壽命都服從指數分布，然后按照評分分配法進行可靠性分配。

得到各子系統的可靠性指標后，基于其可靠性框圖和數學模型，得到每個“一級ORU集合”的可靠性指標。基于每個“一級ORU集合”具體的定期維修保障策略將可靠性指標分配到“二級ORU集合”。基于備份數量，將“二級ORU集合”可靠性指標分配到單個ORU產品的可靠性指標。

（2）可靠性評分方法

傳統的可靠性評分分配法一般采用復雜度、技術水平、工作時間和環境條件等評分因素。而對于環控生保分系統來說，僅以這4個評分因素顯然是不夠的。從維修性的角度來看，所需維修工時較少的ORU分配稍低的可靠性指標。從保障性的角度來看，越是難以保障的產品需要分配較低的可靠性指標，原因是形成高可靠性的“ORU”組合體花費的代價相對較大，而越是容易保障的產品可以分配較高的可靠性指標。

圖4 子系統→ORU可靠性分配

因此，環控生保分系統可靠性評分分配法的評分因素應加上維修時間和保障條件，另外還需要額外統計考慮維修的可靠性分配中的重要參數：ORU更換周期。其中分系統→子系統的可靠性指標分配過程中，各個子系統不直接存在維修時間和保障條件等評分因素，所以分系統→子系統的可靠性指標分配評分因素仍為4個。

4.4 關鍵單機的長壽命設計

環境控制與生命保障分系統中，多數單機的使用壽命都遠小于空間站的壽命要求，較短的壽命無疑會增加保障資源和維修負擔，因此要開展長壽命設計。環控生保分系統組成復雜，有些類型產品的長壽命設計技術本身還不成熟，在空間特殊環境對產品壽命的影響及機理方面，研究基礎較為薄弱。

開展單機的長壽命設計，需要根據環控生保分系統的環境應力、工作應力和可靠性分析結果，確定環控生保分系統的關鍵組部件，并以前期收集的數據為基礎，識別出經過飛行試驗、地面試驗和仿真分析的對象，并采用不同的技術措施。對于技術狀態相對成熟的非再生子系統，已經進行了多次飛行驗證，基本掌握了壽命和可靠性信息，可視情況開展壽命增長設計和試驗。對于新研產品，需要在研制過程中結合生產單位提供的相關壽命信息，開展系統的長壽命設計，如抗疲勞設計、防腐蝕設計、管路抗老化設計、防輻射設計、防老化設計和降額設計等，針對采用的設計措施進行仿真分析，并通過開展各類長壽命試驗進行驗證和評估，

4.4.1 消耗品的長壽命設計

消耗品的壽命主要取決于某種工作應力下的損耗速度，有些時候也受到環境應力的影響，應通過敏感性分析、介質材料優選、制備工藝優化等方式進行設計。比如對于再生CO2去除而言，需要突破長壽命CO、H2、CH4催化劑技術，主要技術措施包括選擇合適的載體材料、選擇合適的催化劑活性成分、優化催化劑表征、制備工藝、建立催化劑加速壽命試驗評價系統等。而對于干燥床，為防止干燥劑材料在使用過程成產生的粉塵影響下游設備，在產品的進出口設置金屬過濾材料，同時吸附床則采用了容塵設計，有效提高吸附床的壽命。

4.4.2 機電類產品的長壽命設計

機械類產品包括回轉運動部件、各種閥門以及某些結構件等，不同類型對象的設計方式有較大的差異，需要進行壽命短板和影響因素分析，得到易發生、較薄弱的故障模式，然后尋求針對性的解決策略，在提高可靠性的同時能夠延長壽命。

對于回轉類部件，需要突破長壽命軸承技術。通過選用高強度軸承材料、采用特殊研磨工藝提高接觸應力、改善潤滑條件等方式進行解決。在航天微重力環境下，國外一般采用一次性稀油潤滑技術，保持架采用多孔材料，將聚合物樹脂或含棉纖維的樹脂經特殊工藝壓制燒成型，最后將潤滑油壓入微孔材料內制成。而保持架中潤滑油存在的散失或變質問題使潤滑周期縮短，必須發展長壽命補充供油技術，需要在航天軸承的安裝部位設計供油系統，如儲油器、儲油箱及泵輔系統，利用控油技術使內部的潤滑油緩慢流向軸承。

對于真空截止閥，需要突破高溫長壽命密封技術。真空截止閥工作介質最高溫度超過200℃，高溫對密封材料的選取十分嚴格，并且溫度的變化引起材料的形變也會對密封效果及壽命造成影響，通常所用的材料都不能滿足要求。因此，真空截止閥的高溫長壽命密封技術是一大難點。需要科學選取密封材料，再進行高溫密封實驗確定。增加高溫密封的補償性措施，充分保障閥門的密封的可靠性。

對于重要結構件，從結構安全性的角度出發，分析可能的各種損傷源，比如疲勞損傷、一般腐蝕和應力腐蝕所造成的環境損傷等，開展損傷容限設計和安全壽命設計。

5 結論

針對空間站環控生保分系統長壽命、高可靠的需求，分析了并行開展環控生保分系統RMS設計工作的思路，提出了實施RMS的總體設計流程，并探討了RMS綜合權衡、ORU劃分、維修可靠性分配、可靠性和長壽命設計等方面的關鍵技術，旨在促進分系統RMS詳細設計工作開展，實現分系統功能、性能和RMS特性的綜合優化。◇

［1］James L.Reuter，Richard Reysa.International space station environmental control and life support system status：2000-2001.SAE 2001-01-2386，31st International Conference on Environmental Systems，Orlando，FL.July 9-12，2001.

［2］Gregory J.Gentry，Richard P.Reysa，Dave E.Williams.International Space Station （ISS）Environmental Control and Life Support（ECLS）System Overview of Events：February 2002-2004.SAE 2004-01-2383，34th International Conference on Environmental Systems，Colorado Springs，Colorado.July 19-22，2004.

［3］P.O.Wieland.Living Together in Space：The Design and Operation of the Life Support Systems on the International Space Station.NASA/TM-1998-206956/VOL1.National Aeronautics and Space Administration，Marshall Space Flight Center.January 1998.

［4］Safety Centered Maintainability for ISS Payloads-Maintainability Handbook.GPQ-MAN-04.October 31，2000.

［5］QRMS-47歐洲航天局以安全性為中心的國際空間站有效載荷維修性［M］.總裝備部電子信息基礎部技術基礎局，總裝備部技術基礎管理中心，2006

［6］C.D.Thompson.Brienne Shkedi.ISS ECLSS：3Years of Logistics for Maintenance.SAE 2004-01-2388.34th International Conference on Environmental Systems，Colorado Springs，Colorado.July 19-22，2004.

［7］Maintainability program management considerations NASA.

［8］孫小波，王楓，葛世軍.航天長壽命軸承潤滑技術.軸承，2012（3）：60-64.

［9］單志偉.裝備綜合保障工程.國防工業出版社，2007.

［10］甘茂治.淺論RMS一體化設計與分析.中國造船工程學會修船技術學術委員會船舶修理理論與應用文集［C］，2006（8）：3-6.