载人航天器密封舱内管路设备维修设计与验证

李 喆，朱亚力，范高洁，张雅彬

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

实现在轨维修，对于简化载人航天器的设计难度、提高航天器可靠性及安全性、延长在轨寿命以及降低研制成本有重要意义。因此，维修性设计是载人航天器设计的重要内容。俄罗斯和美国在载人航天器在轨维修方面已积累了大量的经验。以俄罗斯“和平号”空间站为例，设计寿命为5年，通过航天员的在轨维修，实际在轨运行寿命达到了15年，综合效益显著提高[1-3]。我国已充分认识载人航天器在轨维修的重要性，在研制过程中开展了大量的维修性设计工作[3-6]。

载人航天器包含有各种功能不同的系统，其中包括姿态和轨道控制、热控制和环境生保控制等系 统，而在这些系统中又配置了大量的气、液管路及设备，因此管路设备的在轨维修是载人航天器在轨维修设计中一个极为重要的组成部分。本文对某载人航天器再生生保管系统的管路设备在轨维修性进行了设计，经地面试验和在轨飞行维修操作试验验证，结果表明该设计正确、有效。

1 管路设备在轨维修设计的一般性要求

根据空间和地面不同重力环境下人体活动特点，管路设备在轨维修设计的要求主要包括以下几个方面：

1）管路断开并拆卸时应防止回路中工质泄漏，维修后进行管路装配连接时应保证连接密封可靠；

2）为了防止在轨维修时引入气体而影响循环泵运行，应设计气液分离措施；

3）为了防止在维修过程中由于工质泄漏或温度变化而引起流体回路压力变化，应设计补偿措施；

4）设计适当的安全防护隔离措施以保障航天员及航天器的安全；

5）为了确保维修项目可实施和操作可达性，应该留有足够的操作空间，并提供必要的辅助装置及限位措施；

6）维修工具应简便和通用，有助于降低航天员维修的工作负荷；

7）要求所有维修项目的操作必须经过地面的反复验证后才能投入在轨维修应用。

2 管路设备维修性设计

2.1 维修程序设计

维修程序对成功实施在轨维修任务至关重要。维修程序在投入飞行应用前必须经过地面的反复演练，不仅确保程序可实施，而且要求航天员熟悉程序。进行在轨维修时，要求航天员严格按维修程序执行操作。管路设备的在轨维修程序一般包括：被维修设备断电，断开被维修设备电连接器，断开损坏模块两端快速断接器，更换损坏模块，连接更换模块两端快速断接器，连接被维修设备电连接器以及被维修设备恢复供电。

2.2 供电隔离设计

为保障航天员和航天器的安全，管路设备在维修过程中应断电停止工作。当进行管路设备维修时，不至于影响其他系统的工作。为此，管路设备由供电控制单元直接供电，供电线路的继电器开关设置在供电控制单元内[7]。维修时，可通过地面发送遥控指令或航天员发送手控指令断开继电器开关，从而实现对被维修设备的断电处理，见图 1。供电隔离设置完成后，航天员手动断开对外电连接器。

图1 管路设备的供电隔离Fig. 1 Power supply isolation of pipe equipment

2.3 工效学设计

航天员在失重环境下，身体呈中性体位，根据90名歼击机飞行员的人体参数数据考虑航天员最大的活动范围[8]，计算航天员中性体位活动空间为170 cm×70 cm×70 cm。图2为航天员失重环境下的中性体位姿态。

图2 航天员中性体位姿态Fig. 2 Neutral pose of astronaut

在空间有限的密封舱内，航天员开展维修操作时应尽量处于人体活动可达区。在微重力环境下维修，航天员双脚需采用脚限位器固定在“地板”上，以便解放双手自由操作。一般工作面高度要求在人体肘部以下5～10 cm，我国成年男性肘高均值为102 cm，因此，被维修的管路设备布局应在朝向航天员且距地板高度92～97 cm的仪器板上[8]，如图3所示。

图3 维修过程中航天员体位及被维修设备布局Fig. 3 Astronaut poses during maintenance and layout of pipe equipment

2.4 管路系统设计

1）防工质泄漏设计[9]

使用快速断接器可实现工质在管路的迅速接通或断开，并且断开后工质不会在接头处泄漏。当断接器处于分离状态时，由两个刚性相同、变形一致的圆柱螺旋弹簧分别压紧滑芯与壳体的密封处，使管路中的工作介质被密封。当断接器处于对接状态时，在两端滑芯顶杆相互作用下顶开弹簧，使其滑芯分别向两端移动，密封脱开，管路又接通。断接器两端的对接密封采用2个О型密封圈，通过对密封圈的径向挤压进行密封，确保工作介质不外漏。根据产品测量结果，快速断接器连接后，漏率可达到10-7Pa·m3/s量级。

2）气液分离设计

气液分离常采用膜式分离[10]和离心力分离[11]2种方式。

膜式分离的原理是利用亲液性好的微孔滤膜的表面作用，由膜和黏在微孔上的液体阻隔气体通过且允许液体流过，从而实现气液分离。膜式分离是有压力要求的，对一定孔径的亲液微孔滤膜，当膜两侧的压力差小于等于某一特定阈值时，才能对气隔离而对液导通，完成气液分离功能。

离心力分离的原理是利用气体与液体密度不同，当2种工质混合一起做涡流运动时，液体受到的离心力大于气体，液体被甩出分离器，而气体聚集在涡流中心附近或受附着力作用附着在分离壁面，最终汇集到一起，通过排放管排出。

3）补偿设计

航天器管路设备中通常采用金属波纹管式的工质补偿器[12]，主要由气腔、液腔、金属波纹管和壳体构成。气腔中充满气体，液腔充满液体并与回路连接，当回路中工质体积变化时，通过金属波纹管的伸缩，使系统工作的压力维持稳定。

2.5 维修工具设计及维修时间预估

管路维修的一般操作包括接头保护帽的拆装、设备紧固件拆装、管路接口断开和连接。对维修工具是有要求的，主要包括机械拆装、清洁、静电防护和绑缚等。为减少维修工具的种类和重量，管路维修使用工具优先选择航天器平台配置的通用工具，如有特殊需要才选用专业工具，载人航天器常用的通用工具见表1。

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

为了保证航天员在轨作息与地面同步，应科学预估航天员在轨维修操作时间，合理安排维修项目开展时段，是保证航天员正常作息的必要条件。对天、地开展相同操作所用时间进行统计，航天员在轨用时约为地面用时的1.5～2倍。

3 管路设备维修性设计的地面验证

按照上述方法对我国某载人航天器再生生保系统的管路设备进行维修性设计（图4），再生生保系统的设备内部集成了膜式气液分离器、工质补偿器和循环泵等。维修操作程序：航天员将运输飞船上行的水箱通过快速断接器与再生生保系统设备相连，与水箱连接后再通过扎带绑缚在再生生保系统设备下方的仪器板上（不再需要用紧固件固定），因此该试验项目不验证待维修设备紧固件的拆装等维修内容。

图4 再生生保设备管路维修原理Fig.4 Schematic diagram of maintenance of pipe equipment for life support system

1）试验状态

航天器试验状态与在轨飞行状态一致，整器不加电，被维修的管路设备断电停止工作。试验用的上行水箱和工具为鉴定件，与上天的水箱和工具状态一致。由2名飞船工程师完成试验操作，他们的身形与航天员相仿，而且具有丰富的舱内操作经验。试验过程中由航天员系统同步进行工效学评价。

2）试验结果

试验前整器断电，维修流程中“通过地面遥控指令或航天员手控指令对被维修设备停止供电”未实施，但该操作在综合测试阶段已验证，结果有效。

飞船工程师双脚采用脚限位器固定在地板上，双手进行维修操作，被维修设备的可视性、可达性良好，活动空间充足，航天员系统工效评价结论为合格。

快速断接器插合过程正常，连接后密封状态良好，无工质泄漏。

工具配置合理，与被维修设备接口匹配性好。飞船工程师操作耗时16 min，按1.5～2倍预估航天员在轨操作时间为24～32 min。

操作完成后，对再生生保系统设备通电，上行水箱中的水可引入再生生保系统设备，设备运转正常。

3）与在轨状态不一致情况

验证过程存在1处与在轨状态不一致的情况：由于水箱受重力影响，需1名飞船工程师手扶，另1名航天员进行管路维修操作，而在轨维修操作设计仅安排1名航天员操作，如图5所示。

图5 维修操作与在轨不一致情况示意Fig. 5 Inconsistency between ground test and on-orbit realization

由验证结果可判断：再生生保系统设备管路维修性设计正确，维修程序合理，可应用于在轨实施。

4 在轨实施

按照上述管路设备在轨维修程序，在我国某载人航天器上实施了再生生保系统的管路设备在轨维修试验。经地面配合，1名航天员正常完成了上行水箱的接入工作，操作耗时约25 min，与预计时间相符。地面通过航天员在轨拍摄的图像对维修后设备状态进行判断，证明水箱接入后密封良好，快速断接器连接处无泄漏，维修操作成功。航天员撤离后，在自主飞行阶段对维修后的设备通电运行，地面根据在轨运行状态遥测数据判断，管路设备维修试验成功。

5 结束语

本文对某载人航天器再生生保系统的管路设备在轨维修性进行了设计，内容涉及维修程序设计、供电隔离设计、工效学设计、管路系统设计、维修工具设计及维修时间预估共5个方面。地面验证和在轨试验验证证实，再生生保系统的管路设备维修性设计正确、有效。

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