載人航天器密封艙內管路設備維修設計與驗證

李 喆，朱亞力，范高潔，張雅彬

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

實現在軌維修，對于簡化載人航天器的設計難度、提高航天器可靠性及安全性、延長在軌壽命以及降低研制成本有重要意義。因此，維修性設計是載人航天器設計的重要內容。俄羅斯和美國在載人航天器在軌維修方面已積累了大量的經驗。以俄羅斯“和平號”空間站為例，設計壽命為5年，通過航天員的在軌維修，實際在軌運行壽命達到了15年，綜合效益顯著提高[1-3]。我國已充分認識載人航天器在軌維修的重要性，在研制過程中開展了大量的維修性設計工作[3-6]。

載人航天器包含有各種功能不同的系統，其中包括姿態和軌道控制、熱控制和環境生保控制等系 統，而在這些系統中又配置了大量的氣、液管路及設備，因此管路設備的在軌維修是載人航天器在軌維修設計中一個極為重要的組成部分。本文對某載人航天器再生生保管系統的管路設備在軌維修性進行了設計，經地面試驗和在軌飛行維修操作試驗驗證，結果表明該設計正確、有效。

1 管路設備在軌維修設計的一般性要求

根據空間和地面不同重力環境下人體活動特點，管路設備在軌維修設計的要求主要包括以下幾個方面：

1）管路斷開并拆卸時應防止回路中工質泄漏，維修后進行管路裝配連接時應保證連接密封可靠；

2）為了防止在軌維修時引入氣體而影響循環泵運行，應設計氣液分離措施；

3）為了防止在維修過程中由于工質泄漏或溫度變化而引起流體回路壓力變化，應設計補償措施；

4）設計適當的安全防護隔離措施以保障航天員及航天器的安全；

5）為了確保維修項目可實施和操作可達性，應該留有足夠的操作空間，并提供必要的輔助裝置及限位措施；

6）維修工具應簡便和通用，有助于降低航天員維修的工作負荷；

7）要求所有維修項目的操作必須經過地面的反復驗證后才能投入在軌維修應用。

2 管路設備維修性設計

2.1 維修程序設計

維修程序對成功實施在軌維修任務至關重要。維修程序在投入飛行應用前必須經過地面的反復演練，不僅確保程序可實施，而且要求航天員熟悉程序。進行在軌維修時，要求航天員嚴格按維修程序執行操作。管路設備的在軌維修程序一般包括：被維修設備斷電，斷開被維修設備電連接器，斷開損壞模塊兩端快速斷接器，更換損壞模塊，連接更換模塊兩端快速斷接器，連接被維修設備電連接器以及被維修設備恢復供電。

2.2 供電隔離設計

為保障航天員和航天器的安全，管路設備在維修過程中應斷電停止工作。當進行管路設備維修時，不至于影響其他系統的工作。為此，管路設備由供電控制單元直接供電，供電線路的繼電器開關設置在供電控制單元內[7]。維修時，可通過地面發送遙控指令或航天員發送手控指令斷開繼電器開關，從而實現對被維修設備的斷電處理，見圖 1。供電隔離設置完成后，航天員手動斷開對外電連接器。

圖1 管路設備的供電隔離Fig. 1 Power supply isolation of pipe equipment

2.3 工效學設計

航天員在失重環境下，身體呈中性體位，根據90名殲擊機飛行員的人體參數數據考慮航天員最大的活動范圍[8]，計算航天員中性體位活動空間為170 cm×70 cm×70 cm。圖2為航天員失重環境下的中性體位姿態。

圖2 航天員中性體位姿態Fig. 2 Neutral pose of astronaut

在空間有限的密封艙內，航天員開展維修操作時應盡量處于人體活動可達區。在微重力環境下維修，航天員雙腳需采用腳限位器固定在“地板”上，以便解放雙手自由操作。一般工作面高度要求在人體肘部以下5～10 cm，我國成年男性肘高均值為102 cm，因此，被維修的管路設備布局應在朝向航天員且距地板高度92～97 cm的儀器板上[8]，如圖3所示。

圖3 維修過程中航天員體位及被維修設備布局Fig. 3 Astronaut poses during maintenance and layout of pipe equipment

2.4 管路系統設計

1）防工質泄漏設計[9]

使用快速斷接器可實現工質在管路的迅速接通或斷開，并且斷開后工質不會在接頭處泄漏。當斷接器處于分離狀態時，由兩個剛性相同、變形一致的圓柱螺旋彈簧分別壓緊滑芯與殼體的密封處，使管路中的工作介質被密封。當斷接器處于對接狀態時，在兩端滑芯頂桿相互作用下頂開彈簧，使其滑芯分別向兩端移動，密封脫開，管路又接通。斷接器兩端的對接密封采用2個О型密封圈，通過對密封圈的徑向擠壓進行密封，確保工作介質不外漏。根據產品測量結果，快速斷接器連接后，漏率可達到10-7Pa·m3/s量級。

2）氣液分離設計

氣液分離常采用膜式分離[10]和離心力分離[11]2種方式。

膜式分離的原理是利用親液性好的微孔濾膜的表面作用，由膜和黏在微孔上的液體阻隔氣體通過且允許液體流過，從而實現氣液分離。膜式分離是有壓力要求的，對一定孔徑的親液微孔濾膜，當膜兩側的壓力差小于等于某一特定閾值時，才能對氣隔離而對液導通，完成氣液分離功能。

離心力分離的原理是利用氣體與液體密度不同，當2種工質混合一起做渦流運動時，液體受到的離心力大于氣體，液體被甩出分離器，而氣體聚集在渦流中心附近或受附著力作用附著在分離壁面，最終匯集到一起，通過排放管排出。

3）補償設計

航天器管路設備中通常采用金屬波紋管式的工質補償器[12]，主要由氣腔、液腔、金屬波紋管和殼體構成。氣腔中充滿氣體，液腔充滿液體并與回路連接，當回路中工質體積變化時，通過金屬波紋管的伸縮，使系統工作的壓力維持穩定。

2.5 維修工具設計及維修時間預估

管路維修的一般操作包括接頭保護帽的拆裝、設備緊固件拆裝、管路接口斷開和連接。對維修工具是有要求的，主要包括機械拆裝、清潔、靜電防護和綁縛等。為減少維修工具的種類和重量，管路維修使用工具優先選擇航天器平臺配置的通用工具，如有特殊需要才選用專業工具，載人航天器常用的通用工具見表1。

表1 航天器常用的通用工具Table 1 General tools in manned spacecraft

為了保證航天員在軌作息與地面同步，應科學預估航天員在軌維修操作時間，合理安排維修項目開展時段，是保證航天員正常作息的必要條件。對天、地開展相同操作所用時間進行統計，航天員在軌用時約為地面用時的1.5～2倍。

3 管路設備維修性設計的地面驗證

按照上述方法對我國某載人航天器再生生保系統的管路設備進行維修性設計（圖4），再生生保系統的設備內部集成了膜式氣液分離器、工質補償器和循環泵等。維修操作程序：航天員將運輸飛船上行的水箱通過快速斷接器與再生生保系統設備相連，與水箱連接后再通過扎帶綁縛在再生生保系統設備下方的儀器板上（不再需要用緊固件固定），因此該試驗項目不驗證待維修設備緊固件的拆裝等維修內容。

圖4 再生生保設備管路維修原理Fig.4 Schematic diagram of maintenance of pipe equipment for life support system

1）試驗狀態

航天器試驗狀態與在軌飛行狀態一致，整器不加電，被維修的管路設備斷電停止工作。試驗用的上行水箱和工具為鑒定件，與上天的水箱和工具狀態一致。由2名飛船工程師完成試驗操作，他們的身形與航天員相仿，而且具有豐富的艙內操作經驗。試驗過程中由航天員系統同步進行工效學評價。

2）試驗結果

試驗前整器斷電，維修流程中“通過地面遙控指令或航天員手控指令對被維修設備停止供電”未實施，但該操作在綜合測試階段已驗證，結果有效。

飛船工程師雙腳采用腳限位器固定在地板上，雙手進行維修操作，被維修設備的可視性、可達性良好，活動空間充足，航天員系統工效評價結論為合格。

快速斷接器插合過程正常，連接后密封狀態良好，無工質泄漏。

工具配置合理，與被維修設備接口匹配性好。飛船工程師操作耗時16 min，按1.5～2倍預估航天員在軌操作時間為24～32 min。

操作完成后，對再生生保系統設備通電，上行水箱中的水可引入再生生保系統設備，設備運轉正常。

3）與在軌狀態不一致情況

驗證過程存在1處與在軌狀態不一致的情況：由于水箱受重力影響，需1名飛船工程師手扶，另1名航天員進行管路維修操作，而在軌維修操作設計僅安排1名航天員操作，如圖5所示。

圖5 維修操作與在軌不一致情況示意Fig. 5 Inconsistency between ground test and on-orbit realization

由驗證結果可判斷：再生生保系統設備管路維修性設計正確，維修程序合理，可應用于在軌實施。

4 在軌實施

按照上述管路設備在軌維修程序，在我國某載人航天器上實施了再生生保系統的管路設備在軌維修試驗。經地面配合，1名航天員正常完成了上行水箱的接入工作，操作耗時約25 min，與預計時間相符。地面通過航天員在軌拍攝的圖像對維修后設備狀態進行判斷，證明水箱接入后密封良好，快速斷接器連接處無泄漏，維修操作成功。航天員撤離后，在自主飛行階段對維修后的設備通電運行，地面根據在軌運行狀態遙測數據判斷，管路設備維修試驗成功。

5 結束語

本文對某載人航天器再生生保系統的管路設備在軌維修性進行了設計，內容涉及維修程序設計、供電隔離設計、工效學設計、管路系統設計、維修工具設計及維修時間預估共5個方面。地面驗證和在軌試驗驗證證實，再生生保系統的管路設備維修性設計正確、有效。

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