載人航天電子單機在軌維修技術

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1. 北京衛星制造廠有限公司，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，是制約該領域發展的重要瓶頸。有科學家預測：考慮人為控制和維護因素的情況時，可以增加太空任務約70%的成功率，所以維修任務是載人飛行器在軌任務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。

在軌維修技術在國際空間站上的成功應用，促進了國內在軌維修技術的發展[2-9]。當前國內研究成果在整星及系統層面的維修性理論應用、在軌維修單元(Orbital Replaceable Unit，ORU)的壽命預計，以及總結維修性設計要素做出了巨大貢獻，但是現有研究成果缺少對單機維修性技術的理論分析和驗證。國外在軌故障的統計結果顯示，供配電及綜合電子類設備的故障比例達到48%以上[9]。所以針對電子單機類設備在軌維修技術的研究，對提高中國空間站電子設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]給出了分系統級別的ORU劃分原則和劃分決策。所以開展載人電子單機內部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，故障時機難以預測，相對于預防性維修策略，電子單機以修復性維修為主。即在單機發生故障時，將故障定位到內部ORU級別，并更換故障ORU，最終恢復單機功能。

電子單機內部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，不同于其他類型設備，電子單機中的供配電產品屬于發熱設備，因此要求設備表面及可能被航天員接觸的部位溫度可檢測，防止航天員執行維修任務時由于溫度過高而產生不適感，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、維修性預計和維修性評價三部分內容。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計，對于沒有達到維修性指標要求的ORU需進行設計改進。在產品研制完成后，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，應在設計的初始階段，根據故障模式分析和可靠性預計結果，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，并在設計過程中，對分配結果進行反復修正。

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

(1)

(2)

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

2.2 維修性預計

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操作流程及內容(如圖2所示)，并要求所有操作內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練或簡單訓練就能完成的操作。此時還要對每步基本操作對象的外形、規格和質量指標進行詳細說明，這樣做的優勢在于首先降低了航天員在軌維修難度，其次便于根據經驗數據預計操作時間，最后有利于分析空間失重環境對操作的影響。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。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置信上限為：

(7)

式中：Z1-α為正態分布的1-α分位點；α為相關文件中約定的風險系數。

3 電子單機在軌維修關鍵技術應用

電子單機在軌維修技術的關鍵點主要在于ORU的設計方法。文獻[5]將航天器星載接口業務協議運用于ORU接口設計中，總結了ORU接口設計準則，但是實現方法論述不足；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，對關鍵設計參數如何獲取和驗證也沒有加以說明。電子單機維修性設計技術需要以維修理論為導引，進一步細化并完善各項技術。

在電子單機進行維修性設計的初始階段，即對內部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。其中復雜性因子由單機需要實現的功能決定，維修性設計需在此約束條件下開展。故障定位隔離技術因子、裝配因子、可達性因子、可裝卸性因子則揭示了3個改進維修性設計的技術方向，即故障定位隔離技術、快速拆裝技術及可達性設計技術。維修環境因子主要考慮空間環境對航天員生理和心理的影響，所以還要開展人機工效學設計。

3.1 故障定位隔離技術及應對策略

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，并實現故障檢測、預警及隔離。故障定位隔離是開展在軌維修操作的前提，能夠將故障定位至通道級，為后續宇航員在軌進行組件級維修提供判據。其主要思路是通過各測試點遙測信號建立故障數據庫。單機實時采樣電壓、電流、溫度等數據，與內嵌在存儲器中的故障數據比較，當偏差在容許范圍之外時，表示出現故障，并通過與故障模式和關鍵參數比較，對故障進行準確定位、分析和判斷，并啟動相應故障應對預案，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。

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構成。ORU為最小維修單元，因此智能配電單元的故障模式應能夠定位到ORU級。單機功能層次如圖3所示。

根據智能配電單元故障類型，定位維修部位如表1所示。

當故障發生時，有以下3種應對方案[13-15]：

1)智能配電單元硬件或用電負載發生故障時，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計、固態功率控制器的短路保護技術和I2t反時限保護等；

2)由于環境因素造成的器件級故障，其特點是變化緩慢，應對策略是通過將關鍵電路或器件的監測點信號數據上傳給能源管理器或地面計算機，由上級通過對歷史和現行數據進行對比判斷，得出該電路或器件是否將要發生故障的判斷。例如對關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)對于某些關鍵設備，即使在發生故障時仍然需要維持正常運行，此時應在單機內部采取冗余設計，并且將備份電路分布在不同維修組件中。當需要對故障電路所在組件進行更換時，首先發送指令切斷電路輸出開關，通過遙測參數確認輸出斷開后，再控制上游設備停止供電輸入，并再次通過遙測參數確認輸入已中斷后，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

電子單機通常使用緊固件連接各模塊，傳統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構和被連接結構是否緊固在一起，松不脫螺釘始終不會與連接結構分離，且解除緊固后，在松不脫螺釘內部彈簧作用下，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，優先使用鎖緊楔形條夾緊PCB的側邊，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。但是要注意在經歷振動環境時，兩者固定ORU的效果是不同的。在力學仿真環境中，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定度來描述[16]，如圖4所示。

此時改善模態頻率計算結果精度：

fn=fs+Pf(ff-fs)

(8)

式中：fn為改善后的頻率計算結果；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組件的百分比穩定度。利用圖4中的相似三角形求得：

(9)

聯立式(8)和式(9)，有：

(10)

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

3.3 可達性設計

執行維修任務時，要求機箱不同部位、標識清晰可見，并分配足夠的操作空間。開展具體設計工作時，首先要明確機箱安裝位置和方向，艙內照明情況(照射亮度、角度等)，獲取允許最大操作空間包絡。這樣做的目的是先確定維修操作的約束條件，再來設計單機內部的布局、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生，并注意要在機箱及ORU上設計合理的握持位置。

3.4 人機工效學設計

人機工效學設計的核心思想是“以人為中心”，在產品設計中考慮周圍環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、施力特征、反應特性均與地面環境有較大區別。電子單機在軌維修機箱的設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

電子單機一般為發熱設備，執行維修任務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℃，設計目標40℃)內。需要獲得的溫度數據包括：單機表面最高和最低溫度、可能連續接觸位置的溫度(不高于45℃)、可能偶爾或瞬間接觸位置的溫度。對于電子單機，最高溫度一般出現在熱耗較大、發熱器件布置密級區；最低溫度出現在遠離上述區域的位置；機箱外表面、ORU金屬結構屬于連續接觸區；ORU上的電子元器件屬于偶爾或瞬間接觸位置區。

(2)防差錯與標準化設計

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致元器件損壞，ORU的機械連接應先于電氣連接。在設計時，不同類型的ORU機械接口不同，這樣設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，使機箱機械結構具有防差錯的特點；對于同類型ORU，電氣及機械接口應相同，可以順利互換，目的是最大程度減少備用ORU數量和種類，從而減輕上行質量。

(3)標識設計

航天器電子設備種類及數量繁多，為了便于航天員識別不同設備及上面的操作接口，預測操作風險，順利開展在軌維修操作，在軌維修電子單機一般設計三類識別標記：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關系)、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與機箱內部安裝位置的對應關系；第三類是警示標識，用來提示操作風險，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)可操作性設計

人機工效學中的可操作性設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據，然后在此限定條件下優化操作對象的參數，如形狀、尺寸、鎖緊方式、插拔力、旋轉扭矩、抓握面形狀及表面狀態(如是否有防滑措施)，最后給出航天員的操作姿態和施力方式，操作姿態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操作等。

失重狀態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計，需要獲得參數包括操作力、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的計算結果應滿足約束條件，即：

F1≤30N,L1≥12 mm

助力手柄如圖6所示。

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

假設機箱助力手柄與側壁接觸面為圓弧面，對應側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力：

(12)

(13)

式中：ρ1、ρ2為助力手柄與側壁接觸面的曲率半徑，因為側壁為平面，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，是需要計算的設計尺寸；G為板卡質量。

金屬結構件的安全裕度如下：

(14)

式中：M為安全裕度；[σ]為結構材料的屈服極限應力；f為安全系數，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，每次耗時約15 min，小于地面試驗預計指標，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，地面根據在軌運行狀態遙測數據判斷，單機工作狀態正常，維修試驗圓滿成功。

5 結束語

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

1)ORU的選擇對維修性設計具有重要影響；

2)智能配電設備的故障定位技術為實現板卡級在軌維修奠定了技術基礎；

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

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

5)在軌維修任務的成功實施，證明綜合了故障定位隔離、快速拆裝、可達性技術及人機工效學的維修性設計方法是克服空間環境障礙、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，開展艙外設備在軌維修任務勢在必行。國際空間站上“盒式”ORU設計，以及利用“K”系數[18]計算“期望維修時間”的方法為國內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的理論計算模型，并建立環境因素與維修技術之間的聯系，將是需要進一步開展的工作。