我國空間站安全與任務保證工作若干問題探討

卿壽松，陳鳳熹，李福秋，欒家輝

(中國航天標準化與產品保證研究院，北京100071)

1 引言

我國載人航天工程三期任務是建立長期穩定運行的空間站系統，其在軌運營階段面臨著航天員長期駐留，任務繁重復雜等特點，該階段的可靠性和安全性內涵、要求和分析評價與研制過程相比有了較大變化［1］，為保證航天員安全和任務成功，需要合理、有效地評價運營階段空間站安全性可靠性水平，支持工程決策。

本文系統分析了美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)安全與任務保證工作(Safety and Mission Assurance，SMA)體系與運營模式，梳理出國際空間站(International Space Station，ISS)項目在運營階段安全性、可靠性、維修性及質量保證(Safety，Reliability， Maintainability， and Quality Assurance，SRM＆QA)工作重點。在此基礎上，借鑒國外先進經驗，結合我國型號SRM工作特點，圍繞管理和技術應用(包括穩定性、壽命與可靠性、航天員安全性、任務成功性與成本可控性)兩個方面，對我國空間站運營階段SMA工作提出了具體的工作建議。

2 NASA的安全與任務保證

NASA的安全與任務保證工作(SMA，包括安全性、可靠性與維修性和質量保證)的戰略目標是保證NASA的所有活動的安全，并設法提高NASA項目的成功率。NASA安全手冊中規定的安全保證目標及順序是:①公眾的安全;②航天員和駕駛員的安全;③NASA雇員的安全;④NASA貴重設備和財產的安全［2］。本章著重介紹NASA安全與任務保證工作的組織體系及主要工作內容。

2.1 NASA的安全與任務保證組織

NASA為了實現其SMA目標，建立了嚴密的SRM＆QA組織，維持了一支高水平的、較大規模的SRM＆QA隊伍。主要包括NASA的SMA辦公室、技術支撐性機構和各類型的顧問委員會等。各組織相互配合，共同完成NASA的SMA相關工作，各組織之間的關系如圖1所示［3］。

圖1 NASA安全和任務保證組織Fig.1 NASA safety and mission assurance structure

2.1.1 NASA的SMA辦公室

在NASA總部設有安全與任務保證辦公室(Office of Safety and Mission Assurance，OSMA)，作為統管NASA質量、可靠性、安全性的職能部門。OSMA是NASA總部的職能辦公室之一，負責NASA的SMA戰略、政策和標準的制訂和實施，由一名NASA副局長領導，直接向NASA局長報告工作。在總部各事業辦公室也設有負責SMA的專職人員，負責其辦公室內的SMA活動，直接向該部門主任和OSMA主任匯報工作。在NASA的10大研究中心亦設有SMA的管理機構，負責該中心及其外協項目的SRM＆QA，其主任向OSMA和各自中心的負責人直接匯報工作［3］。

安全和需求保證部是SMA辦公室的一個直屬部門。其主要任務是在NASA范圍內，制定安全和任務保證方面的有關政策;定義和編制有關的程序、標準、工具、方法和訓練文件［3］。

任務支持部是SMA辦公室的一個直屬部門。其主要任務是:監督各部門貫徹執行SMA的政策與程序的情況;保證安全和任務保證計劃的穩定性;保證安全和任務保證實施過程中與NASA政策的一致性，并保證其任務達到要求的安全性和任務成功的目標［3］。

2.1.2 支撐機構

1)NASA安全性中心。NASA安全性中心(NSC)成立于 2006年 10月，該中心通過對SRM＆QA相關技術以及分析工具等方面的改進來支持SMA工作。NSC屬于OSMA常設支撐性機構，由技術改進、知識管理、復核與評估、事故調查支持四個職能部門組成。技術改進辦公室通過開展結構化的專業培訓來支持相關技術(系統安全、操作安全、飛行安全、可靠性與維修性、軟件保證及質量工程)改進;知識管理辦公室利用網絡平臺，通過對有效信息的收集、整理、分析、傳播與管理工作，實現對SMA相關技術的交流與跟蹤;復核與評估辦公室主要協調工程及項目的復核與評審。事故調查支持辦公室通過調查、災難事故信息管理、風險評價等工作找到事故發生的根源，避免事故再次發生［4］。

2)NASA獨立驗證和評價研究室。NASA獨立驗證和評價(IV＆V)研究室于1993年由OSMA出資成立，屬于OSMA常設支撐性機構。現與OSMA共同承擔NASA的軟件保證和對關鍵飛行軟件的獨立驗證與確認的管理工作，在軟件保證方面可獨立行使權力。IV＆V對安全和任務關鍵軟件進行獨立驗證和確認，并對NASA安全和任務保證活動提供軟件專家意見，進行研究以改進獨立驗證和確認的方法、實踐和工具，在科學、技術、工程和數學(STEM)上進行技術突破［5］。

3)NASA工程和安全性中心。NASA工程和安全性中心(NESC)辦公室設在朗利研究中心，其構成成員來自各個中心和工業部門。該中心并不直接隸屬于OSMA，但在工作上對OSMA起到一定的支撐作用。工程安全性中心辦公室的職責是負責組織專家，按照15個技術方向，利用現有資源實施獨立的工程技術評審和風險評估［6］。

2.1.3 專家組

1)核安全審查委員會。核安全審查委員會對核動力系統的輻射風險進行獨立評估。小組成員或協調人員代表國防部、能源部、美國環境保護機構、美國核管理委員會以及NASA獨立于項目之外進行審查。該委員會工作直接服務于OSMA［7］。

2)航天飛行安全委員會。航天飛行安全委員會成立的目的是為了保證航天員安全。該委員會督促及評定與空間飛行乘員安全有關的空間計劃的實施，在每次1級水平的飛行準備評審中，為OSMA提供有關安全的獨立評審意見。該委員會工作直接服務于 OSMA［8］。

3)IV＆V顧問委員會。IV＆V顧問委員會向安全和任務保證主管提供支持，以對在NASA工程和項目中開展軟件IV＆V實施決策。也可就每個工程軟件IV＆V支持專項資金數額向安全和任務保證主管提出建議。該委員會工作直接服務于OSMA［5］。

圖2 NASA ISS管理架構示意Fig.2 ISS operations architecture

4)航空航天安全委員會。航空航天安全委員會(ASAP)最優先的工作是有關載人航天的安全問題。該委員會承擔NASA重大項目的安全性評審、咨詢和獨立的鑒定。同時對OSMA提交的安全性方面的研究和操作計劃進行審查，并向NASA局長提供年度報告、建議和重大問題決策意見。該委員會2000年年度報告指出了航天飛機和國際空間站計劃中存在的20個安全問題，并提出了26條建議。該委員會的級別最高，獨立于其他組織和機構，直接向NASA局長負責［9］。

2.2 NASA安全與任務保證工作的主要內容

本節從行政管理及項目管理兩個方面介紹NASA的安全與任務保證工作內容。

2.2.1 NASA的SMA工作

OSMA根據NASA的戰略規劃、管理計劃、組織憲章來制定SRM＆QA戰略規劃和方針政策;通過制定一系列的指導性文件、標準、手冊，以及對已驗證有效的可靠性、維修性技術推廣，實現對SMA工作的技術支持;OSMA成立了不同層次的SRM＆QA咨詢組，明確各級SMA機構和雇員的職責，實行內部過程認證制度、質量代表制度、故障報告制度、事故調查制度、經驗共享制度;制定并執行SMA人員培訓計劃、獨立審核制度、軟件獨立驗證與確認體制;開發、使用并不斷完善信息系統和SMA工具;直接組織重大/跨事業辦公室或中心的型號/項目的SRM＆QA評審/鑒定，以實現NASA的SRM ＆ QA戰略目標［2］。

2.2.2 ISS的SMA工作

ISS使用與運行主要分為3個階段，分別為組建運行階段、穩定運行階段與成熟運行階段。ISS的安全與任務保證貫穿項目運營全過程。初步研究表明，ISS項目通過長期的摸索、調整，已經實現了一套相當完善的SMA工作體系(圖2)。概括地說，其SRM＆QA重點工作主要包括以下幾個方面［10］。

1)NASA利用在軌數據，對ISS關鍵系統、關鍵單機進行定期的可靠性評估，并根據評估結果，圍繞故障和故障預防，采取相應的措施，確保空間站在壽命周期內穩定可靠運行。同時，NASA注重耐久性(壽命)分析與評價工作，制定耐久性參數體系，并在組建階段監造、評估，確保達到預期要求［11］。

2)ISS開展安全性量化評估工作，以確定和量化ISS現有項目和規劃操作中的安全性危險。對進入ISS的載荷有一套相應的要求規范，并實施了嚴格的安全性認定，以確保上站載荷不會為航天員乘組和空間站帶來危險，造成航天員傷亡、空間站毀壞或發生重大事故，在此基礎上，再考慮載荷的性能問題［11］。

3)為了確保國際空間站每次任務的成功性，OSMA組織開展了任務風險評估工作，以確定和量化載人任務過程中存在的風險，即任務失敗(LOM)的風險［11］。

4)NASA估計，其從1994－2010年，共計投入約480億美元，來組建和運營ISS。按照其經驗，在突破各項關鍵技術的同時，依據空間站任務特點，在考慮其完成預定任務及相應可靠性的同時，為保證運營及維護成本最低化，對設計和建造過程反饋要求，尋求一個可控性組合。如取消航天飛機項目、開展龍飛船項目并嚴格控制技術與產品出口［12］。

3 NASA安全與任務保證工作經驗啟示

1)體系完善，組織有力。NASA為了提高其各項事業、型號、項目的任務成功率，保證其各項活動安全、順利地進行，逐步建立了一套比較有效的安全與任務保證工作體系，組建并維持了一支高水平的專業隊伍，對NASA的各項工作實施有效的監管，使其產品的安全性、可靠性、維修性水平得以穩步地提高。在NASA總部和10大研究中心，均設置有安全與任務保證管理機構。同時，安全與任務保證辦公室建立了一套完整的安全與任務保證人員在職培訓體系，規定了安全與任務保證工作人員的最低技術水平、管理能力要求［13］。

2)行為規范，信息共享。NASA的各級安全與任務保證機構制訂了一系列的安全與任務保證相關法令、政策、規章制度和標準，明確各級安全與任務保證組織的權限，規范每個安全與任務保證人員的行為、職責，規定嚴格的文檔要求和數據格式，每項工作都有準確的記錄，具有可追溯性，便于復查或進行安全與任務保證評審/鑒定。NASA還建立了經驗信息系統并上網，將在工程實踐中獲得的經驗教訓形成規范的文檔，進入相應的信息庫，實現經驗共享，避免重蹈覆轍［13］。

3)安全第一，質量先行。NASA非常強調在其雇員及合同商中提倡安全意識，并通過各種安全方面的活動增強各類人員的安全意識。1998年，負責安全和任務保證的NASA副局長格雷戈里提出了一個安全倡議，指出“安全在NASA具有第一優先權”，并強調不斷提高安全意識，把意外事故降低到零。NASA也明確提出:NASA不僅要在技術上世界領先，而且在質量和安全方面世界領先。NASA從總部到各中心按照ISO 9001質量保證模式，通過第三方的認證，進一步完善質量保證體系，并把安全放在質量保證體系的首要位置［13］。

4)過程控制，獨立鑒定。NASA強調將安全性、可靠性、維修性和質量保證盡早地整合到NASA的計劃和工作過程中，并貫徹于全壽命周期。NASA項目的安全與任務保證鑒定一般結合研制進度的各里程碑，與型號管理委員會一起進行獨立的安全性、風險鑒定，以及可靠性評審。評審組由與任務承擔單位無任何利益聯系的相關專家組成，并在型號安全與任務保證相關工作一開始就可得到型號安全與任務保證經理/主任、系統安全代表、質量保證代表、可靠性代表的及時通報，能全面掌握情況，隨時提出建議，評審/鑒定時做到有的放矢、實實在在［13］。

5)依托三方，技術支持。安全與任務保證辦公室大力資助學術界、工業界研究新方法、新技術，開發新工具。學術界、工業界的質量、可靠性、安全性研究機構在NASA的安全與任務保證活動中發揮了重要作用，承擔著大部分的具體技術支持工作，包括進行咨詢、人員培訓、新技術及工具研究開發，以及參與或獨立承擔型號研制、使用過程中的具體安全與任務保證工作項目等［13］。

4 我國空間站SMA相關工作建議

借鑒NASA安全與任務保證的工作目標及職責，我國空間站安全性、可靠性及維修性和質量保證工作建議可從管理及技術應用兩個方面開展工作。

在管理方面，對于目前我國載人航天工程來說，SRM＆QA工作均由參與載人航天任務的各型號系統具體完成。對于載人航天工程前期任務來說，這種模式基本上能夠滿足任務需求［16］。但隨著空間站任務的不斷深入開展，應考慮從系統工程的角度出發，由空間站工程總體承擔安全與任務保證管理職能，從全壽命周期角度系統策劃SRM＆QA工作的開展。對載人航天工程進行風險管理與控制，在型號研制的各里程碑節點，對項目實施獨立的評審和鑒定;加強空間站的發射、組裝、在軌作業的SMA評審工作;對所有具有戰略意義任務(投資大或影響大的工程計劃)的SRM＆QA過程進行獨立的評審與鑒定。

在技術應用方面，應借鑒國際空間站的先進經驗，在傳統的可靠性工作基礎上，應重點突出對航天員安全性及任務成功性的風險分析、在軌壽命、運營維護等問題的研究，系統開展可靠性安全性頂層策劃工作，建立空間站系統SRM評估及相關應用技術的規范化體系，并充分利用地面試驗和在軌數據，建立和運行分級管理的數據信息系統，使技術工具化、數據信息化、工具統一化。具體技術工作建議如下:

1)注重空間站平臺穩定性

空間站組建完成后，應通過實時收集在軌工作數據，監測其工作狀態，為任務規劃及在軌維護工作提供信息支撐。避免出現由于故障導致任務終斷的嚴重問題，保證平臺的持續穩定運行。本部分工作重點關注空間站組成分系統、單機運行過程中各功能參數、性能參數在設計范圍內平穩運行，監測、監視各參數變化范圍、變化趨勢和變化速率，確保空間站穩定運營。為此，應對在軌數據進行分析，建立在軌數據監測、分析及預報系統，通過融合地面試驗數據和在軌數據及歷史數據信息實現在軌狀態的評估，為空間站運行控制策略提供提供技術支撐，確保空間站平臺的穩定運行。為此優先開展的工作應包括:

(1)包含三類數據(地面試驗數據、在軌數據、歷史數據)的信息系統;

(2)三類數據相融合的穩定狀態評估;

(3)基于狀態評估的穩定控制措施研究與制定等。

2)深化空間站壽命、可靠性及維修性工作

空間站不同于其他航天產品，對壽命及可靠性提出了更高的要求。為此，首先應明確空間站系統的頂層指標體系，圍繞指標開展針對性的設計分析工作，按照指標要求設計驗證試驗方案，開展壽命及可靠性評估工作。在此基礎上，進一步分析工程頂層故障模式，制定最優維修策略，提高航天員維修操作的效率。優先開展的工作應包括:

(1)壽命、可靠性及維修性參數體系的建立;

(2)壽命與可靠性試驗方案設計;

(3)壽命與可靠性評估工作等;

(4)頂層故障梳理與對策;

(5)維修導則的編制。

3)加強空間站安全性評估

為實現航天員的中長期在軌駐留，保證航天員在軌工作期間與乘組輪換過程的安全性，應對影響航天員安全性的危險事件進行識別，了解和掌握其發生危險的時機和條件，采用量化方式評估風險，并有針對性的采取風險控制措施，將風險降低到可接受范圍。為此，應針對飛行任務開展安全性評估工作，針對直接或間接影響航天員、空間站平臺及載荷安全的相關產品開展適乘性及載荷安全性認證工作，確保上站產品的安全性。優先開展的工作應包括:

(1)關鍵任務的安全性評估;

(2)適乘性(Human rating);

(3)載荷安全性認證等。

4)提高任務成功性

為保證空間站各項任務的順利完成，需要對影響任務成功的關鍵系統、分系統工作狀態進行監測，并實施可靠性安全性評估工作，掌握其工作狀態，同時對貨運飛船、對接機構、載人飛船及航天員系統的關鍵任務開展風險的獨立評估工作，有效控制影響任務成功的風險，制定故障預案，降低故障對任務影響。針對上述需求，優先開展的工作應包括:

(1)對接機構多次交會對接在軌可靠性評估;

(2)貨運飛船的任務風險評估;

(3)上站載荷的可靠性評估;

(4)風險的獨立評估等。

5)重視成本可控性

借鑒美國航天飛機項目受經費影響，被迫取消的經驗教訓，我國空間站系統為更好的發揮功效，應根據運營階段的任務規劃明確成本預算，合理規劃維修與保障相關方面工作，以降低空間站運營成本，實現全壽命周期成本管理。為此應開展空間站內備品備件、地面備品備件的規劃，技術成熟度及提升，軟件、元器件、零部件的成本可控等問題的研究。針對上述問題，優先開展的工作應包括:

(1)任務規劃;

(2)備品備件規劃;

(3)維修周期設定;

(4)產品成熟度評價與提升;

(5)元器件自主可控等。

5 結論

國際空間站在運營管理過程中注重頂層安全性可靠性工作的策劃和管理，嚴格進行節點監督與控制。我們應當借鑒其先進經驗，參照我國民航管理體制，按照制造單位、運營公司、政府管理機構、相關專家組及專業機構的模式對管理職能進行分解細化，增強空間站設計、建造及運營各階段的管理控制;同時，應充分發揮專家組監督指導及專業機構的技術支撐作用，在工程總體的指導下，盡快開展起安全與任務保證工作的總體策劃及核心技術攻關等一系列工作，為確保空間站的長期穩定、安全可靠運營提供全方位的技術支撐。

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