李 喆，朱亞力，范高潔，張雅彬

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

實(shí)現(xiàn)在軌維修，對(duì)于簡(jiǎn)化載人航天器的設(shè)計(jì)難度、提高航天器可靠性及安全性、延長(zhǎng)在軌壽命以及降低研制成本有重要意義。因此，維修性設(shè)計(jì)是載人航天器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。俄羅斯和美國(guó)在載人航天器在軌維修方面已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。以俄羅斯“和平號(hào)”空間站為例，設(shè)計(jì)壽命為5年，通過(guò)航天員的在軌維修，實(shí)際在軌運(yùn)行壽命達(dá)到了15年，綜合效益顯著提高[1-3]。我國(guó)已充分認(rèn)識(shí)載人航天器在軌維修的重要性，在研制過(guò)程中開(kāi)展了大量的維修性設(shè)計(jì)工作[3-6]。

載人航天器包含有各種功能不同的系統(tǒng)，其中包括姿態(tài)和軌道控制、熱控制和環(huán)境生保控制等系 統(tǒng)，而在這些系統(tǒng)中又配置了大量的氣、液管路及設(shè)備，因此管路設(shè)備的在軌維修是載人航天器在軌維修設(shè)計(jì)中一個(gè)極為重要的組成部分。本文對(duì)某載人航天器再生生保管系統(tǒng)的管路設(shè)備在軌維修性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)地面試驗(yàn)和在軌飛行維修操作試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)正確、有效。

1 管路設(shè)備在軌維修設(shè)計(jì)的一般性要求

根據(jù)空間和地面不同重力環(huán)境下人體活動(dòng)特點(diǎn)，管路設(shè)備在軌維修設(shè)計(jì)的要求主要包括以下幾個(gè)方面：

1）管路斷開(kāi)并拆卸時(shí)應(yīng)防止回路中工質(zhì)泄漏，維修后進(jìn)行管路裝配連接時(shí)應(yīng)保證連接密封可靠；

2）為了防止在軌維修時(shí)引入氣體而影響循環(huán)泵運(yùn)行，應(yīng)設(shè)計(jì)氣液分離措施；

3）為了防止在維修過(guò)程中由于工質(zhì)泄漏或溫度變化而引起流體回路壓力變化，應(yīng)設(shè)計(jì)補(bǔ)償措施；

4）設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)隔離措施以保障航天員及航天器的安全；

5）為了確保維修項(xiàng)目可實(shí)施和操作可達(dá)性，應(yīng)該留有足夠的操作空間，并提供必要的輔助裝置及限位措施；

6）維修工具應(yīng)簡(jiǎn)便和通用，有助于降低航天員維修的工作負(fù)荷；

7）要求所有維修項(xiàng)目的操作必須經(jīng)過(guò)地面的反復(fù)驗(yàn)證后才能投入在軌維修應(yīng)用。

2 管路設(shè)備維修性設(shè)計(jì)

2.1 維修程序設(shè)計(jì)

維修程序?qū)Τ晒?shí)施在軌維修任務(wù)至關(guān)重要。維修程序在投入飛行應(yīng)用前必須經(jīng)過(guò)地面的反復(fù)演練，不僅確保程序可實(shí)施，而且要求航天員熟悉程序。進(jìn)行在軌維修時(shí)，要求航天員嚴(yán)格按維修程序執(zhí)行操作。管路設(shè)備的在軌維修程序一般包括：被維修設(shè)備斷電，斷開(kāi)被維修設(shè)備電連接器，斷開(kāi)損壞模塊兩端快速斷接器，更換損壞模塊，連接更換模塊兩端快速斷接器，連接被維修設(shè)備電連接器以及被維修設(shè)備恢復(fù)供電。

2.2 供電隔離設(shè)計(jì)

為保障航天員和航天器的安全，管路設(shè)備在維修過(guò)程中應(yīng)斷電停止工作。當(dāng)進(jìn)行管路設(shè)備維修時(shí)，不至于影響其他系統(tǒng)的工作。為此，管路設(shè)備由供電控制單元直接供電，供電線路的繼電器開(kāi)關(guān)設(shè)置在供電控制單元內(nèi)[7]。維修時(shí)，可通過(guò)地面發(fā)送遙控指令或航天員發(fā)送手控指令斷開(kāi)繼電器開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被維修設(shè)備的斷電處理，見(jiàn)圖 1。供電隔離設(shè)置完成后，航天員手動(dòng)斷開(kāi)對(duì)外電連接器。

圖1 管路設(shè)備的供電隔離Fig. 1 Power supply isolation of pipe equipment

2.3 工效學(xué)設(shè)計(jì)

航天員在失重環(huán)境下，身體呈中性體位，根據(jù)90名殲擊機(jī)飛行員的人體參數(shù)數(shù)據(jù)考慮航天員最大的活動(dòng)范圍[8]，計(jì)算航天員中性體位活動(dòng)空間為170 cm×70 cm×70 cm。圖2為航天員失重環(huán)境下的中性體位姿態(tài)。

圖2 航天員中性體位姿態(tài)Fig. 2 Neutral pose of astronaut

在空間有限的密封艙內(nèi)，航天員開(kāi)展維修操作時(shí)應(yīng)盡量處于人體活動(dòng)可達(dá)區(qū)。在微重力環(huán)境下維修，航天員雙腳需采用腳限位器固定在“地板”上，以便解放雙手自由操作。一般工作面高度要求在人體肘部以下5～10 cm，我國(guó)成年男性肘高均值為102 cm，因此，被維修的管路設(shè)備布局應(yīng)在朝向航天員且距地板高度92～97 cm的儀器板上[8]，如圖3所示。

圖3 維修過(guò)程中航天員體位及被維修設(shè)備布局Fig. 3 Astronaut poses during maintenance and layout of pipe equipment

2.4 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）防工質(zhì)泄漏設(shè)計(jì)[9]

使用快速斷接器可實(shí)現(xiàn)工質(zhì)在管路的迅速接通或斷開(kāi)，并且斷開(kāi)后工質(zhì)不會(huì)在接頭處泄漏。當(dāng)斷接器處于分離狀態(tài)時(shí)，由兩個(gè)剛性相同、變形一致的圓柱螺旋彈簧分別壓緊滑芯與殼體的密封處，使管路中的工作介質(zhì)被密封。當(dāng)斷接器處于對(duì)接狀態(tài)時(shí)，在兩端滑芯頂桿相互作用下頂開(kāi)彈簧，使其滑芯分別向兩端移動(dòng)，密封脫開(kāi)，管路又接通。斷接器兩端的對(duì)接密封采用2個(gè)О型密封圈，通過(guò)對(duì)密封圈的徑向擠壓進(jìn)行密封，確保工作介質(zhì)不外漏。根據(jù)產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果，快速斷接器連接后，漏率可達(dá)到10-7Pa·m3/s量級(jí)。

2）氣液分離設(shè)計(jì)

氣液分離常采用膜式分離[10]和離心力分離[11]2種方式。

膜式分離的原理是利用親液性好的微孔濾膜的表面作用，由膜和黏在微孔上的液體阻隔氣體通過(guò)且允許液體流過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。膜式分離是有壓力要求的，對(duì)一定孔徑的親液微孔濾膜，當(dāng)膜兩側(cè)的壓力差小于等于某一特定閾值時(shí)，才能對(duì)氣隔離而對(duì)液導(dǎo)通，完成氣液分離功能。

離心力分離的原理是利用氣體與液體密度不同，當(dāng)2種工質(zhì)混合一起做渦流運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體受到的離心力大于氣體，液體被甩出分離器，而氣體聚集在渦流中心附近或受附著力作用附著在分離壁面，最終匯集到一起，通過(guò)排放管排出。

3）補(bǔ)償設(shè)計(jì)

航天器管路設(shè)備中通常采用金屬波紋管式的工質(zhì)補(bǔ)償器[12]，主要由氣腔、液腔、金屬波紋管和殼體構(gòu)成。氣腔中充滿氣體，液腔充滿液體并與回路連接，當(dāng)回路中工質(zhì)體積變化時(shí)，通過(guò)金屬波紋管的伸縮，使系統(tǒng)工作的壓力維持穩(wěn)定。

2.5 維修工具設(shè)計(jì)及維修時(shí)間預(yù)估

管路維修的一般操作包括接頭保護(hù)帽的拆裝、設(shè)備緊固件拆裝、管路接口斷開(kāi)和連接。對(duì)維修工具是有要求的，主要包括機(jī)械拆裝、清潔、靜電防護(hù)和綁縛等。為減少維修工具的種類和重量，管路維修使用工具優(yōu)先選擇航天器平臺(tái)配置的通用工具，如有特殊需要才選用專業(yè)工具，載人航天器常用的通用工具見(jiàn)表1。

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

為了保證航天員在軌作息與地面同步，應(yīng)科學(xué)預(yù)估航天員在軌維修操作時(shí)間，合理安排維修項(xiàng)目開(kāi)展時(shí)段，是保證航天員正常作息的必要條件。對(duì)天、地開(kāi)展相同操作所用時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，航天員在軌用時(shí)約為地面用時(shí)的1.5～2倍。

3 管路設(shè)備維修性設(shè)計(jì)的地面驗(yàn)證

按照上述方法對(duì)我國(guó)某載人航天器再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)（圖4），再生生保系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)部集成了膜式氣液分離器、工質(zhì)補(bǔ)償器和循環(huán)泵等。維修操作程序：航天員將運(yùn)輸飛船上行的水箱通過(guò)快速斷接器與再生生保系統(tǒng)設(shè)備相連，與水箱連接后再通過(guò)扎帶綁縛在再生生保系統(tǒng)設(shè)備下方的儀器板上（不再需要用緊固件固定），因此該試驗(yàn)項(xiàng)目不驗(yàn)證待維修設(shè)備緊固件的拆裝等維修內(nèi)容。

圖4 再生生保設(shè)備管路維修原理Fig.4 Schematic diagram of maintenance of pipe equipment for life support system

1）試驗(yàn)狀態(tài)

航天器試驗(yàn)狀態(tài)與在軌飛行狀態(tài)一致，整器不加電，被維修的管路設(shè)備斷電停止工作。試驗(yàn)用的上行水箱和工具為鑒定件，與上天的水箱和工具狀態(tài)一致。由2名飛船工程師完成試驗(yàn)操作，他們的身形與航天員相仿，而且具有豐富的艙內(nèi)操作經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中由航天員系統(tǒng)同步進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)。

2）試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前整器斷電，維修流程中“通過(guò)地面遙控指令或航天員手控指令對(duì)被維修設(shè)備停止供電”未實(shí)施，但該操作在綜合測(cè)試階段已驗(yàn)證，結(jié)果有效。

飛船工程師雙腳采用腳限位器固定在地板上，雙手進(jìn)行維修操作，被維修設(shè)備的可視性、可達(dá)性良好，活動(dòng)空間充足，航天員系統(tǒng)工效評(píng)價(jià)結(jié)論為合格。

快速斷接器插合過(guò)程正常，連接后密封狀態(tài)良好，無(wú)工質(zhì)泄漏。

工具配置合理，與被維修設(shè)備接口匹配性好。飛船工程師操作耗時(shí)16 min，按1.5～2倍預(yù)估航天員在軌操作時(shí)間為24～32 min。

操作完成后，對(duì)再生生保系統(tǒng)設(shè)備通電，上行水箱中的水可引入再生生保系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

3）與在軌狀態(tài)不一致情況

驗(yàn)證過(guò)程存在1處與在軌狀態(tài)不一致的情況：由于水箱受重力影響，需1名飛船工程師手扶，另1名航天員進(jìn)行管路維修操作，而在軌維修操作設(shè)計(jì)僅安排1名航天員操作，如圖5所示。

圖5 維修操作與在軌不一致情況示意Fig. 5 Inconsistency between ground test and on-orbit realization

由驗(yàn)證結(jié)果可判斷：再生生保系統(tǒng)設(shè)備管路維修性設(shè)計(jì)正確，維修程序合理，可應(yīng)用于在軌實(shí)施。

4 在軌實(shí)施

按照上述管路設(shè)備在軌維修程序，在我國(guó)某載人航天器上實(shí)施了再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備在軌維修試驗(yàn)。經(jīng)地面配合，1名航天員正常完成了上行水箱的接入工作，操作耗時(shí)約25 min，與預(yù)計(jì)時(shí)間相符。地面通過(guò)航天員在軌拍攝的圖像對(duì)維修后設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行判斷，證明水箱接入后密封良好，快速斷接器連接處無(wú)泄漏，維修操作成功。航天員撤離后，在自主飛行階段對(duì)維修后的設(shè)備通電運(yùn)行，地面根據(jù)在軌運(yùn)行狀態(tài)遙測(cè)數(shù)據(jù)判斷，管路設(shè)備維修試驗(yàn)成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某載人航天器再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備在軌維修性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，內(nèi)容涉及維修程序設(shè)計(jì)、供電隔離設(shè)計(jì)、工效學(xué)設(shè)計(jì)、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維修工具設(shè)計(jì)及維修時(shí)間預(yù)估共5個(gè)方面。地面驗(yàn)證和在軌試驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)，再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備維修性設(shè)計(jì)正確、有效。

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