空間站再生生保系統集成設計與實現

張 滔, 李廣利, 楊潤澤, 彭 卓, 張勇平, 劉向陽, 吳志強

(中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室, 北京 100094)

1 引言

再生生保技術是空間站關鍵技術之一,再生生保系統主要由電解制氧系統、CO2去除系統、CO2還原系統、微量有害氣體去除系統、尿處理系統、水處理系統等多個系統組成[1]。再生生保系統利用物理、化學方法,實現艙內大氣凈化、氧氣再生、冷凝水和尿液的凈化回收,大幅降低空間站長期載人運行的補給需求。其涵蓋機械、電子、化工、材料、生物等眾多學科專業,力學、熱場、流場、氣密、工效等指標要求高,眾多的約束條件相互制約。再生生保系統集成設計是將各系統內部眾多功能元件(部件)集合為若干在軌可維修的功能單元(組件),再組合成一個復雜裝置(系統)的過程,集成設計呈現出更明顯的多領域、多專業需求驅動與技術約束的特征[2]。最終的集成方案需均衡考慮多方面的影響,合理取舍,優化組合,其目標是要實現再生生保系統功能性能滿足要求、運行可靠、易于維修維護。

國際空間站再生系統多采用標準機柜式集成方案,各再生系統模塊化設計,以抽屜形式裝入標準機柜,在軌維修時通過導軌拉出抽屜。這種方案維修性比較好,但抽屜式集成形式需要較多的結構支撐件,結構重量占比較大,不利于系統輕量化,同時空間利用率相對較低。國內前期的短期載人飛行器中,產品多以部(組)件形式交付裝艙,基本沒有系統集成要求,在軌維修需求也較低,缺乏可參考的系統集成設計的成熟經驗。中國空間站的空間、重量及維修資源等約束與國際空間站有較大區別,總體技術要求中明確:艙體次結構不提供翻轉功能,以固定安裝的形式安裝再生生保系統。因此,需要建立適合中國空間站再生生保系統功能特點和約束條件的集成方案,以確保再生生保系統在軌穩定運行,并具有良好的在軌可維修性。

本文提出了空間站再生生保系統集成設計的詳細設計方案,進行了仿真驗證、地面試驗驗證及全面在軌驗證,并從系統維修性、集成度和輕量化等方面評估該集成方案的優勢。

2 集成設計方案

再生生保系統必須保證單機高可靠、發生故障時可維修、需要時可更換,以滿足中國空間站15 年在軌運行壽命要求[3]。因此,再生生保系統的集成方案必須滿足在軌可維修性才能達到長期運行的目標,維修性設計也貫穿于集成設計全過程。基于維修性的集成設計包括系統布局方案、總體接口方案、在軌可更換單元(Orbital Replacement Unit,ORU)集成設計、管接頭標準化設計及標識系統設計等幾個方面。

2.1 系統布局方案

綜合考慮艙內真空接口、通風接口、各再生生保系統重量分配、系統間的耦合關系等多方面約束,將再生生保的6 個系統布置在艙段同一環形區域4 個象限的機柜內。每個再生系統設計了整體翻轉式的集成方案,位于機柜正面的產品可實現原位維修,位于機柜背面封閉空間內的產品翻轉至通道內進行維修。圖1 為電解制氧系統的布局和在軌維修示意圖。

圖1 電解制氧系統布局與在軌維修示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrolysis oxygen generation system layout and on-orbit maintenance

合理的布局設計是滿足維修性要求的關鍵,布局設計重點考慮安全可靠性、操作便利性、系統流程相關性、影響最小化4 個方面:

1)安全可靠性。優先考慮在軌操作過程安全,避免維修操作時真空泄漏、工質泄漏、高溫高電壓等風險;布局保證產品重量分布合理,結構可靠,滿足發射和地面試驗的強度、剛度要求。

2)操作便利性。對于日常操作、維修頻率高的產品及消耗品,優先布置在便于觀察和操作的位置;有操作要求的面板、有維修要求的ORU、接頭布置在前側或上側,使其具有良好的可視、可達性。

3)流程相關性。按系統運行流程和工質流動路徑合理布局各功能部組件,避免管路、電纜過長,避免相互交錯;同時預留了足夠的長度確保維修時管路、電纜不受過度拉扯和彎折。

4)影響最小化。ORU 間布局相互不關聯,在布局時盡量實現一次可視可達,避免額外拆除其他ORU。

依據各再生系統的功能、結構特點,再生生保系統的布局分為結構板式和框架式2 類。電解制氧、水處理、尿處理為第一類,特點是單機產品較小,多個單機集成為1 個ORU,ORU 集成度較高,工質為液體,管路通徑較小。因此均采用結構板式布局(圖2)。結構板正反面安裝產品,結構板不參與密封,只作為承力結構,各ORU 之間采用軟管連接。布局過程中充分分析各個ORU 的壽命、可靠性、日常操作、安裝接口、管路電纜接口、重量及質心位置等多方面因素,將ORU 合理有效地布置在結構板上,使其能夠滿足安裝、維修、日常操作、可視、可達、力學性能等要求。

圖2 結構板式布局Fig.2 Layout of structural plate

CO2去除和微量有害氣體去除系統為第二類,特點是單機產品一般體積較大,1 個單機即為一個ORU。ORU 數量多,工質為氣體,管路通徑較大,真空管路密封要求高,通風管路流阻要求高。這2 個系統均采用框架式布局(圖3),框架正面安裝閥門類產品,背面安裝體積大、重量大的凈化器類產品,管路采用大口徑金屬波紋管。

圖3 框架式布局Fig.3 Frame layout

2.2 總體接口方案

接口設計是集成設計的重要部分,接口是再生系統與艙體的聯系和界面劃分,接口設計力求界面清晰、連接可靠、維修便利。圖4 是電解制氧的接口設計結果。

圖4 電解制氧系統接口設計圖Fig.4 Interface design diagram of electrolytic oxygen generation system

1) 安裝接口(圖4(a))。艙體提供耳片,再生系統底板與耳片固定。安裝接口的設計確保承受發射狀態的力學環境,在軌首次進駐后,拆除再生系統底板與耳片的所有固定連接,使用少量手擰螺釘即可確保在軌運行期的固定。

2) 轉軸設置。在系統底部設置翻轉軸,轉軸在發射狀態不承受載荷,確保在軌翻轉可靠。

3) 管線接口(圖4(b))。在轉軸附近設置接口面板,再生系統的對外管路、電纜統一與接口面板連接,接口面板固定安裝在艙體儀器板上。對外管路和電纜預留長度,布置在轉軸附近,系統翻轉時無需斷開管路和電纜。接口設計綜合考慮并滿足地面安裝及試驗、發射力學條件、在軌操作維修等要求。

2.3 ORU 集成設計

ORU 是可在軌進行移動、檢查、更換、維修的最底層部件,ORU 的確定決定了再生系統維修設備的數量、維修方式以及維修方案[4]。ORU 維修性設計是集成設計的重點,ORU 劃分選擇是再生生保系統維修保障資源、系統體積規模和系統維修時間的重要影響因素,是開展維修性詳細設計的基礎。ORU 的劃分按以下3 步開展。

1) 首先對再生生保系統以從上至下的方式開展物理和功能層次分解,從而明確從系統到單機的關聯關系。

2) 從安全性、可測試性、壽命及維修保障資源等方面,綜合分析在軌維修的約束因素和設計要求:ORU 內部產品壽命相近[5];消耗性產品作為獨立的ORU;ORU 間的接口關系盡量少,以利于更換ORU 時氣液、機械、電接口的斷開和連接;對于ORU 內有單獨維修需求的傳感器類、消耗類產品,在ORU 的基礎上嵌套ORU。

3) 根據ORU 可在軌維修的相關要求,通過邏輯決斷初步劃分系統的ORU,形成系統ORU劃分的初步方案。

在系統ORU 初步劃分結果的基礎上,再從系統所需維修保障資源、系統維修時間和系統安裝空間三方面要求逐一核查,反復調整ORU 劃分的顆粒度,使ORU 劃分方案盡可能滿足各方面的要求。最終劃分得到各再生系統的ORU 數量在16～25 個之間。

ORU 集成設計與ORU 劃分基本同步開展,重點考慮滿足在軌維修的需求。圖5 是再生生保系統中幾個ORU 的典型集成設計示例。在細節設計時,綜合考慮了影響在軌維修的各個因素,如去掉管路連接,增加內部流道設計;對外管路接口集中布置,且考慮斷接器操作空間和便利性;對外電接口的布置考慮電連接器的操作空間及其安全性;安裝接口保證拆裝方便,并進行防差錯識別標記設計和安全性設計;操作手柄布置在合適位置,周圍留有足夠的操作空間。

圖5 ORU 集成設計示例Fig.5 Example of ORU integrated design

2.4 管接頭標準化設計

為減少ORU 接口種類,簡化ORU 接口操作難度,需要對ORU 氣液路接口進行統一設計[6]。再生系統中管接頭規格型號較多,為實現管路的在軌快速拆裝,將各類管接頭進行標準化和型譜化設計,通徑涵蓋所有再生系統。與傳統管接頭相比,型譜化的斷接器發射狀態連接不用涂膠,在軌斷接操作便利。可以避免涂膠帶來的多余物,減小操作力,縮短操作時間,有效提高再生系統的維修工效。圖6 是再生系統中所用的氣路斷接器和液路斷接器型譜示意圖。

圖6 型譜化斷接器Fig.6 Serialized quick disconnect

2.5 標識系統設計

維修性設計的過程中,應該做好識別標記工作[7]。為確保航天員在軌安全、正確、高效地完成人機界面相關操作,對產品標識進行了標準化設計,包括中文名稱標識、管路及電連接器標識、安裝對位標識、警示標識、禁止標識、操作說明標識、防誤操作標識等(圖7)。再生系統ORU 接口復雜,狹小空間內有誤操作的風險;統一的標識設計及粘貼要求,配合在布局上采取的結構防誤措施以及使用上的程序防誤措施,可以有效降低在軌誤操作風險。

圖7 標識設計Fig.7 Identification design

3 集成設計驗證

3.1 仿真驗證

對集成設計進行工效學仿真驗證及力學仿真驗證,提前識別問題并進行設計迭代。

1)工效仿真驗證。通過使用數字人體完成維修過程的模擬,可對設計中待維修產品布局的可達性、可視性等指標進行評價和驗證,并對維修流程、維修步驟、維修所需的工具、輔助設備的設計滿足情況進行評價,及時發現不合理的設計并進行改進。維修工效要求一直貫穿集成設計過程,在布局設計階段即對各再生生保的三維數字模裝進行工效仿真分析,以JACK 軟件作為基礎軟件,建立空間站三維模型和數字航天員模型,主要仿真驗證項目包括操作空間、可視可達性及失重狀態下的維修姿態等(圖8)。經過仿真驗證,集成設計方案在產品布局位置、安裝螺釘布置、操作干涉、界面安全性等方面進行了優化迭代。

圖8 工效仿真驗證Fig.8 Ergonomic simulation verification

2)力學仿真驗證。在結構設計中,利用PATRAN/NASTRAN 對關鍵的結構框架進行仿真計算(圖9),優化迭代。在蜂窩板重點區域預埋碳纖維橫梁,以較小的重量代價獲得了整體剛度較大的提升。同時根據蜂窩板的力學特性進行了產品的布局優化。利用ANSYS/FLUENT 進行流體仿真,校核管路系統流阻(圖9),對管路布局走向和管接頭的局部結構進行了優化。

圖9 力學仿真驗證Fig.9 Mechanical simulation verification

3.2 試驗驗證

對集成設計進行了試驗驗證,驗證設計的有效性,包括工效試驗驗證及力學試驗驗證。

1)工效試驗驗證。為了對維修方案和維修程序的合理性、可行性進行驗證,均需要通過地面或在軌試驗開展維修性驗證[8]。再生系統初樣階段在整艙環境下開展了一系列工效驗證試驗,如:發射狀態固定連接件拆除、系統整體翻轉、典型產品更換等(圖10)。驗證了再生系統翻轉過程中管路、電纜等對外接口的相對運動情況、干涉情況;驗證了安裝的正確性和在軌翻轉的可行性;驗證了ORU 的維修操作空間。同時,再生系統多套實物產品完成了內部ORU 的維修性工效驗證與評價,全部工效評價項目均合格。

圖10 工效驗證試驗Fig.10 Ergonomic verification test

2)力學試驗驗證。利用再生系統結構件開展了力學摸底試驗,驗證了結構設計余量,針對部分薄弱區域,進行了設計優化,提高了承力結構整體剛度和強度。通過對各ORU 安裝面的響應數據分析,確定了再生生保系統內部單機產品的力學環試條件。經過結構優化的再生系統通過鑒定級力學環試驗證,再生系統裝艙順利通過了整艙力學試驗,驗證了再生系統力學特性滿足設計要求。

3.3 在軌驗證

2021 年4 月29 日,天和核心艙成功發射,標志著中國空間站在軌組裝建造階段全面展開。截止目前,再生生保系統在中國空間站上經歷了SZ-12 至SZ-14 任務階段的全面在軌驗證(圖11),設備運行穩定,指標符合設計要求。

圖11 在軌維修驗證Fig.11 On-orbit maintenance verification

SZ-12 和SZ-14 任務期間,在天和核心艙和問天實驗艙開展了再生生保專項維修模擬驗證,對再生系統背面的產品狀態進行檢查和模擬維修驗證。驗證了再生系統維修工況下整體翻轉方案、ORU 布局設計、專用維修工具等項目,維修時間、維修效果均滿足要求。驗證結果表明: ①再生生保的集成設計整體翻轉維修方案合理可行,翻轉過程順暢,無干涉現象; ②結構框架及安裝接口設計合理,發射載荷下無明顯變形; ③ORU 布局合理,操作接口可視、可達,維修工效滿足要求。

4 分析與評估

4.1 維修性

通過對多種維修方案(圖12)的正面空間利用率、背面維修性、力學性能、結構重量占比和管線布局等多個維度對比分析,整體翻轉式的維修方案綜合最優。整體翻轉式維修方案正面空間利用率高,所有需要定期更換及日常操作的ORU 布置于安裝板正面,可以實現原位操作及維修。維修安裝板背面的ORU 時,不需斷開系統對外電纜及管路接口,即可整體翻轉系統至通道內;系統翻轉后不脫離機柜,可以利用機柜內空間。

圖12 在軌維修方案比較Fig.12 Comparison of on-orbit maintenance schemes

4.2 集成度

通常意義的集成度考慮單位空間內集成產品的數量或重量,在再生系統集成設計過程中更多考慮將多種功能進行有效的集成,在提高傳統意義集成度的同時,提高維修工效。

在CO2去除系統的管路設計中,為解決維修工效、管路流阻、接口密封的耦合關系,將大口徑管路與結構框架進行一體化設計(圖13),管路只作為氣路連接和密封,不承受載荷。與分體式設計相比具有以下3 個顯著優點:

圖13 大口徑管路與框架一體化設計Fig.13 Integrated design of large diameter pipeline and frame

1) 管路置于框架中間,兩側連接產品,維修產品時不需拆裝管路,維修性更容易保證;

2) 管路長度縮短,流阻降低,系統功能更容易實現;

3) 框架兩側產品的安裝接口與密封接口合二為一,減少連接件,重量指標更容易滿足。

4.3 輕量化

再生系統集成設計中重點進行了結構件的輕量化設計。板式結構和框架式結構都是再生系統的核心承力部件,是系統承載其各單機產品、管路、線纜等的主要承載結構。承力結構同時也為再生系統提供與艙體連接的安裝接口。

為滿足強度、剛度要求,同時達到減重目標,系統結構框架采用復合材料。電解制氧系統、尿處理系統、水處理系統安裝板采用鋁蜂窩芯加碳纖維蒙皮的蜂窩板結構,面板為高模高強碳纖維復合材料,夾芯為加密鋁蜂窩,板內預埋鋁合金埋件提供與單機設備、機柜等連接接口,預埋梁提高局部剛度,底板與中立板之間增加支撐桿提高安裝板基頻(圖14(a))。

圖14 復合材料結構框架Fig.14 Structural frame of composite material

CO2去除系統、微量有害氣體去除系統采用碳纖維成型框架(圖14(b))。復合材料框架采用碳纖維熱溶預浸料鋪放工藝,產品的外形精度由金屬對模加壓成型實現;精度要求較高的接口連接件采用金屬件,金屬件與復合材料框架通過膠螺或膠鉚方式連接。復合材料框架上的各種孔位精度通過整體鉆模保證。

在采用復合材料的基礎上,經過不斷地結構優化,各再生系統結構框架與系統的重量占比控制在10.3%～17.4%范圍內,顯著優于國際空間站水平。

5 結論

本文針對空間站重量、體積等約束條件,提出了再生系統集成設計方案,進行了維修方案、結構框架及管路、布局及ORU 等詳細集成設計,仿真、地面試驗及在軌應用驗證了本文設計的集成方案合理可行。目前,天和艙、問天艙的再生生保系統都經歷了全面在軌驗證, 設備運行穩定,產品布局合理,在軌日常維護、故障維修操作方便,表明再生生保集成方案滿足設計要求。本文闡述的再生生保集成方案、基于維修性的集成設計方法可為航天器復雜系統的集成設計提供總體設計思路和框架,具有一定的借鑒意義。