神舟飞船出舱活动故障模式和对策的设计与实践

2010-12-26马晓兵苟仲秋

航天器工程 2010年6期

于潇马晓兵苟仲秋

(中国空间技术研究院,北京 100094)

1 引言

突破出舱活动技术是我国载人航天工程第二阶段战略的第一步。按照我国载人航天工程任务安排,神舟七号飞船乘载3 名航天员,执行空间出舱活动任务,突破航天员出舱活动技术,进行卫星中继终端搭载试验[1]。

出舱活动任务复杂,具有飞行事件多、航天员操作事件与指令程序匹配逻辑关系强的特点[2-5]。为确保航天员安全和出舱活动任务的可靠性,以正常出舱活动程序飞行事件为线索,对影响出舱活动任务成败的事件,分别按照时域和空域进行功能分析,在综合出舱活动故障树分析(FTA)和失效模式与影响分析(FMEA)[6-9]结果基础上,设计了多种出舱活动故障模式与对策和出舱活动应急飞行程序,对出舱活动的成功完成发挥了重要的保障作用。

2 出舱活动故障模式与对策的设计方法

出舱活动故障模式与对策设计与神舟飞船的功能和飞行任务紧密相关,出舱活动核心程序虽为串行操作事件,但对操作的时序性和任务时间的匹配性要求高,关键事件未能在预定时间内完成,将可能直接导致出舱活动的中止甚至无法进行。为提高出舱活动可靠性,本文提出了以飞行事件分析为基础的出舱活动故障模式与对策的设计方法,其设计思想如下:

1)进行出舱活动飞行事件划分。将出舱活动飞行任务按阶段划分为各飞行事件,进行出舱活动飞行事件分析,并以影响出舱活动成败的关键要素,明确出舱活动关键事件。

2)进行出舱活动故障模式设计。以系统功能FTA和FMEA为主,飞行事件功能失效分析为辅,确定出舱活动故障模式。通过系统FTA可以识别潜在的系统故障模式和灾难性危险因素,发现可靠性和安全性薄弱环节;通过飞行事件功能失效分析,使得分析更加细致和有针对性,并与飞行任务更加有贴近性。

3)进行出舱活动各飞行事件的时域、空域功能分析。通过飞行事件中的信息传递关系、时序关系、空域协作关系分析,明确参与执行飞行事件的设备工作模式和承担的任务功能,作为出舱活动故障对策的设计条件。

4)进行在轨故障对策设计。结合出舱活动功能分析和FMEA分析结果,并利用功能的降级、重构进行在轨故障对策设计。

神舟飞船出舱活动故障模式与对策的设计方法如图1所示。

图1 神舟飞船出舱活动故障模式与对策的设计方法Fig.1 Design method of Shenzhou spaceship' s extravehicular activity failure modes and countermeasures

3 出舱活动故障模式与对策设计

3.1 出舱活动飞行事件及故障模式分析

神舟飞船执行出舱活动任务,综合考虑了运行轨道、地面测控、能源平衡、姿态控制和空间环境适应性等多种约束条件,还考虑了航天员的生理条件、舱外航天服的工作条件等与人相关的约束条件,为此设计了正常飞行3 天,最多推迟2 天返回的飞行方案。正常飞行期间完成出舱活动任务,舱外活动时间约30min。

根据出舱活动各项操作内容和在轨试验内容,出舱活动在程序上分为4个任务阶段,分别为在轨检查和训练任务段、出舱前的准备任务段、舱外活动任务段和舱内环境恢复任务段。通过对出舱活动各阶段任务剖面分解后,得到的主要飞行事件及故障模式分析见表1。

表1 出舱活动飞行各阶段主要飞行事件和故障模式分析Table1 Major events and failure mode analysis in extravehicular activity stages

从表1可以看出,飞船轨道舱泄、复压压力、出舱舱门的密封性、舱外航天服的密封性以及航天员的身体健康状态是影响出舱活动成败的关键要素,在故障对策设计上应重点考虑。

3.2 出舱活动故障对策设计

神舟飞船出舱活动故障的处理,以确保航天员安全为首要条件,在保证航天员安全的基础上,整船功能具有一定可靠性保证的条件下,尽量完成预定出舱活动任务。考虑与其他非载人航天器的显著不同,神舟飞船出舱活动故障对策设计充分发挥航天员的主观能动性,发挥手动操作在故障处理中的作用。

按照表1分析结果,将其中的故障模式分解到出舱活动各子项功能中,通过设备工作模式和承担的任务功能分析,进行出舱活动故障对策的设计,设计结果见表2。

表2 出舱活动故障模式功能分解Table2 Major function and failure mode analysis in extravehicular activity

(续表2)

3.3 出舱活动应急飞行程序设计

舱外活动过程必须在一定的地面测控支持下进行。受测控条件的限制,如果出舱程序安排不合理导致执行超时或由于对故障的处理引起执行超时,将不能继续执行正常出舱飞行程序。在整船仍具有支持出舱活动能力的条件下,可以通过制定应急出舱飞行程序作为补偿措施,提高出舱活动任务成功的可靠性。

为具备多种故障情况下的灵活处置能力,出舱活动应急飞行程序是以任务段落关键事件的执行情况作为程序启动的判据,根据任务段的不同,设计了当圈轨道继续出舱的延迟出舱程序Ⅰ、推迟到下一圈轨道出舱的延迟出舱程序Ⅱ、飞行第3 天出舱的备份出舱程序以及一名航天员出舱程序。

1)当圈轨道出舱的延迟出舱程序

考虑舱外活动起始时刻的地面测控约束,将出舱前准备任务段航天员关闭舱外航天服背包门的时间作为地面程序决策判断点。若航天员关舱外航天服背包门超时不超过20min,考虑整个出舱测控弧段的时间,可以决策继续当圈轨道出舱,航天员此后操作顺延,开轨道舱舱门的时间相应后延,出舱后缩短舱外活动范围,减少舱外活动时间,出舱航天员回到轨道舱关舱门时间与正常程序相同,舱内环境恢复程序与正常程序相同。

2)推迟1圈轨道出舱程序

在出舱前准备任务段,若航天员关舱外航天服背包门超时20min 以上,则改为下一圈轨道出舱。在飞行控制任务实施上,地面注入新的程序。第30圈轨道进入地面测控区后,航天员报告地面状态,地面确认可以出舱后,执行出舱程序,开舱门之前和之后的程序与此点的顺序和时间间隔和正常飞行程序出舱段相同,向前后顺延。

3)推迟1 天出舱程序

在出舱前准备任务段,若正常出舱活动飞行程序中的大流量冲洗未按时进行,则首先恢复船上状态,脱舱外航天服,轨道舱复压到常压,地面注入船上状态恢复程序,随后注入第3 天备份飞行程序中当前时间点之后的程序。

4)1 人出舱程序

若出舱准备任务段1 名航天员出现生理异常,采用1 人出舱程序执行出舱活动任务。1 人出舱与2 人出舱程序比较,舱外活动内容适当裁减外,出舱前准备任务段舱外航天服准备过程中的原两套服装串行操作改变为只准备一套服装。操作程序不变。