武江凱，韓增堯， 龐寶君，張永

(1.中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094;2.中國空間技術研究院，北京100094 3.哈爾濱工業(yè)大學航天學院，哈爾濱150001)

1 概述

微流星體是指起源于彗星與小行星帶，并在行星際空間中運動的固態(tài)粒子 (成分主要為冰、石或裹著冰的鐵素體材料)，空間碎片是指軌道上的或重返大氣層的無功能人造物體，包括其殘塊和組件 (成分主要為鋁 (65%)，環(huán)氧樹脂-玻璃、橡膠、鈦，銅和鐵)；隨著人類航天活動的日益增多，空間碎片環(huán)境日益惡化。

厘米級以下的微流星體及空間碎片 (M/OD，Meteoroid/Orbital Debris)，由于受目前觀測能力的限制，無法進行精確跟蹤定軌，其超高速撞擊對在軌航天器，特別是長期留軌的載人航天器構成了嚴重威脅，如密封艙結構、功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、流體回路管路、推進劑儲箱、太陽電池翼等關鍵部組件一旦被M/OD撞擊損傷，功能將降級或失效，甚至可能導致航天器系統(tǒng)級失效，直接影響航天器及航天員在軌生存力。

以NASA(National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局)為代表的研究及管理部門為了防止微流星體 (Meteoroid)擊穿載人航天器的居住密封艙，在艙體防護結構設計初期 (從20世紀70年代開始)，一般都將微流星體撞擊作用下密封艙結構非擊穿概率作為考核系統(tǒng)生存力指標 (例如，微流星體環(huán)境條件下，500次典型任務內，航天飛機乘員艙艙壁和窗戶玻璃非擊穿概率為0.95)，并依據(jù)該指標要求，建立了艙體 (防護)結構的非擊穿概率分析模型，用于定量評估微流星體作用下航天器及航天員災難性失效風險 (注:直至80年代末，NASA逐漸發(fā)現(xiàn)了對載人航天器的新威脅——由近地軌道解體衛(wèi)星形成的空間碎片，才開始將空間碎片納入到非擊穿概率分析中)，并籠統(tǒng)地使用碎片撞擊作用下載人航天器密封艙結構被擊穿的概率作為航天員的死亡概率，即保守地認為載人航天器居住艙段被M/OD擊穿將直接導致航天器損毀以及乘員的死亡，但這種保守的評估方法，導致的一個直接后果就是使航天器設計師們對防護結構進行過設計 (時間、成本和重量)。

另外，對于大型航天器，例如和平號空間站、國際空間站都是由多個可相互隔離、獨立的載人艙段模塊在軌組裝建造而成，每個艙段由相互獨立的艙門連接，這將對傳統(tǒng)的獨立飛行艙段“載人航天器居住艙段一旦被擊穿將直接導致航天器損毀以及乘員的死亡”保守評估形成挑戰(zhàn)，事實上，密封艙結構被碎片擊穿，并不一定會導致航天器損毀以及乘員的死亡，還與艙體擊穿效應、系統(tǒng)適應能力、航天員所處位置、航天員反應等因素相關。

為提高國際空間站 (ISS，International Space Station)等航天器及航天員的安全性和生存能力評估準確性，1992年，NASA馬歇爾航天飛行中心聯(lián)合丹福爾大學研究所，成功開發(fā)了載人航天器人員生存能力評估代碼 (MSCSurv，Manned Spacecraft Crew Survivability Computer Code)，相比非擊穿概率評估方法，MSCSurv代碼對MOD擊穿艙體后的擊穿效應 (包括航天器和航天員)進行了進一步分析，表征了一個更低的航天器損毀以及乘員的死亡概率，允許設計師在碎片防護設計上消耗更低的資源代價來保證航天器及乘員的安全，同時，可以對航天器內部構型進行驗證和優(yōu)化以提高MOD撞擊作用下航天器及乘員的安全性，以及對已在軌運行的航天器進行艙內防護強化設計 (不需要增加艙外活動)以增加任務效能。

文章主要對MSCSurv代碼框架結構、各功能模塊設計進行介紹，綜述了該評估系統(tǒng)對多種失效模式下載人航天器系統(tǒng)及航天員生存力評估方法和準則，以及MSCSurv對指導M/OD環(huán)境下大型載人航天器防護設計、航天員在軌正常及應急飛行方案/工作模式設計的指導意義。

2 M/OD環(huán)境下 (載人)航天器及航天員失效風險評估

2.1 風險評估必要性及意義

空間碎片 (廣義空間碎片，包括空間碎片和微流星體)環(huán)境的不斷惡化對在軌運行的航天器特別是載人航天器及航天員的安全造成了巨大威脅，而厘米級及以下空間碎片受目前監(jiān)測能力的限制而無法實施軌道機動避免撞擊，一旦被其擊中，在無任何防護措施的情況下，往往會造成航天器的部組件功能、性能退化或失效，甚至造成密封結構泄漏等災難性失效，空間碎片對在軌航天器的典型撞擊模式及效應主要包括:改變表面性能導致光敏或熱敏等器件功能下降甚至失效，在航天器表面造成撞擊坑造成等離子體云效應，動量傳遞，艙體穿孔、裂紋導致密封艙失壓、容器爆炸破裂或結構碎裂，艙內外關鍵設備損壞失效等，對于載人航天器，還包括直接擊中航天員導致傷亡以及艙體失效模式下航天員的傷亡。

改善空間碎片空間環(huán)境任重道遠，在不斷惡劣的空間碎片環(huán)境下，對于航天器在軌長壽命、高可靠、高安全性在軌運行需求，開展M/OD環(huán)境下航天器風險評估并指導進行空間碎片防護設計則顯得尤為重要。

2.2 風險評估常用方法及軟件

M/OD環(huán)境下航天器風險評估是將M/OD作為風險源，在失效準則的基礎上，對航天器遭受M/OD撞擊所引起的失效風險進行定量的評估。目前通常采用非失效概率 (PNF，Probability of No Failure)對航天器的M/OD撞擊風險進行定量評估。由于通常將 “擊穿”作為航天器結構的失效準則，因此，非失效概率PNF在很多情況下以非擊穿概率 (PNP，Probability of No Penetration)予以表征。

但航天器艙壁被擊穿，并不一定會導致航天器災難性失效，為此，在PNP的基礎上又提出了非災難性失效概率 (PNCF，Probability of No Catastrophic Failure)，對M/OD環(huán)境下航天器的災難性失效進行定量評估，其表達式如式 (1)、式(2)所示。

式中，PP表示擊穿概率 (PP，Probability of Penetration)，PP=1-PNP，R為航天器某一失效模式的評估因子，表示航天器失效概率在其擊穿概率中所占的比例。

目前世界各空間機構已開發(fā)了多套M/OD環(huán)境下航天器撞擊風險評估軟件/代碼，發(fā)展較為成熟的風險評估軟件如表1所示。

表1 世界各空間機構發(fā)展較成熟的風險評估軟件Tab.1 Mature risk assessment software developed by space agencies

3 MSCSurv軟件架構概述

為了分析碎片撞擊后對航天員及航天器的安全性影響，從1992年開始，NASA委托丹福爾大學研究所基于蒙特卡洛算法開發(fā)了碎片撞擊作用下載人航天器及航天員的生存力定量評估的MSCSurv代碼。MSCSurv代碼采用FORTRAN語言編制，共設計7種失效模式，包括臨界裂紋失效、(穿孔泄氣)姿控失效、艙外關鍵系統(tǒng)失效、艙內關鍵設備失效、艙內航天員被碎片擊中失效、乘員二級損傷失效和缺氧失效。通過載人航天器和航天員生存力評估計算分析，指導設計者使用最小代價保證系統(tǒng)在軌使用要求以及指導航天員在軌正常及故障工作模式設計。

MSCSurv分析流程圖如圖1所示，首先根據(jù)航天器幾何模型和空間碎片環(huán)境模型，基于艙體壓力墻結構的撞擊極限方程，計算每個碎片的撞擊效應，如果穿孔事件發(fā)生，則按照串行分析方式對7種失效模式順序判斷失效事件是否發(fā)生，并同時計算失效導致乘員傷亡概率；單個碎片撞擊事件分析完成后，代碼繼續(xù)分析下一個碎片撞擊事件；最終，MSCSurv完成單個分析工況下所有碎片撞擊事件所導致的的各失效模式對應乘員傷亡概率相加，得到導致航天員死亡的擊穿事件占所有擊穿事件的百分比，即R因子；直至完成所規(guī)定的所有分析工況為止。

圖1 MSCSurve分析流程圖Fig.1 MSCSurve analysis flow chart

MSCSurv代碼輸入?yún)?shù)包括:(1)航天器幾何信息；(2)空間碎片環(huán)境模型 (直徑范圍1mm～20cm)；(3)航天器碎片防護參數(shù) (所有防護結構為鋁板，通過設計鋁板厚度來調整參數(shù))；(4)關鍵設備臨界參數(shù)；(5)艙體參數(shù) (內部設備布局、結構參數(shù))。另外，通過選項設定參數(shù)包括: (1)損傷評估模型；(2)擊穿模式下乘員反應模型；(3)各艙門的初始狀態(tài) (開還是閉)；(4)乘員在各艙段的分布模型；(5)乘員移動速度；(6)缺氧失效模式下，艙體壓力極限；(7)允許乘員到達應急航天器的時間等。

4 MSCSurv主要功能模塊

MSCSurv代碼主要由粒子撞擊模塊、擊穿和損傷模塊、航天器及航天員傷亡評估模塊三部分組成。

粒子撞擊模塊主要用來模擬碎片撞擊參數(shù)，包括碎片粒子直徑、速度大小、撞擊接近角度、在航天器上的撞擊位置以及相對撞擊角度。

擊穿和損傷模塊首先分析擊穿事件是否發(fā)生，然后依據(jù)程序內部撞擊極限方程，計算每次撞擊穿孔效應，包括穿孔直徑、裂紋長度、穿孔深度和撞擊能量。

航天器及航天員失效模塊作為核心程序模塊，則用來評估分析撞擊對應的失效模式，并計算在不同失效模式下航天器失效及航天員的傷亡概率 (R因子，導致航天員傷亡的擊穿事件數(shù)量占所有擊穿事件的比重得到乘員傷亡概率)。

4.1 粒子撞擊模塊

(1)不同尺寸碎片的概率分布

在MSCSurv軟件粒子撞擊模塊中，航天器遭遇的空間碎片環(huán)境模型與其軌道高度、傾角等參數(shù)相關；在代碼設計過程中，結合結構設計經驗及試驗數(shù)據(jù)，首先確定了具備擊穿艙壁結構的碎片最小尺寸，同時為了對擊穿粒子/碎片累積總數(shù)量進行約束，對于碎片最大尺寸，MSCSurv則將撞擊概率小于0.0001所對應的粒子尺寸作為撞擊碎片的尺寸上限；基于以上假設，MSCSurv完成粒子直徑處于下限和上限之間的粒子撞擊累積概率隨粒子直徑變化分布；

(2)航天器幾何建模

建立航天器的幾何模型，設定航天器的飛行姿態(tài)，將每個艙段模型劃分為多個面積相近的平板單元，單元尺寸不僅要考慮艙體結構及相應防護設計的配置，還需兼顧單元對應內部設備 (支架)、載荷的厚度或尺寸；

(3)暴露/撞擊面積以及碎片撞擊速度分布

基于空間碎片環(huán)境模型 (1)和航天器幾何模型 (2)，則可確定航天器受撞擊位置區(qū)域；每個艙段接受到的平均撞擊面積是每個單元接收到的不同方向上的撞擊面積乘以對應方向的撞擊概率總和。

4.2 擊穿和損傷模塊

擊穿和損傷模塊撞擊首先判斷撞擊在艙體上的碎片是否會發(fā)生擊穿，以及計算每次撞擊穿孔效應，包括穿孔直徑、裂紋長度、穿孔深度。

對于每次給定粒子直徑、速度和撞擊角度等特性的撞擊事件，MSCSurv對壓力墻的主孔徑(最大孔徑)和等效孔徑 (最大孔徑和最小孔徑的徑向平均值，用于計算等效孔區(qū)域)等穿孔特性以及點對點最大裂紋進行計算。

4.3 航天器及乘員傷亡評估模塊

對于單次擊穿事件，航天員的傷亡概率分析的任務主要包括:

(1)根據(jù)裂紋長度、穿孔直徑以及擊穿深度，分析該次撞擊是否為超出臨界失效準則的撞擊事件；

(2)根據(jù)艙體狀態(tài)、航天員位置、安全應急預案等分析航天器和航天員是否會失效或傷亡。

因此，分析計算航天員傷亡概率的關鍵是建立各失效模式對應的臨界失效準則以及航天器-航天員在軌運行參數(shù)模型；根據(jù) “擊穿和損傷模塊”計算的擊穿效應，MSCSurv以串行計算的形式定量計算該擊穿事件所屬的失效模式，并分析是否會導致航天員或航天器的失效或傷亡。

4.3.1 臨界裂紋失效

定義:撞擊裂紋是否無控擴展，最終爆炸性失壓解體導致航天器失效及所有航天員傷亡，每次計算過程中，MSCSurv計算穿孔直徑和裂紋長度，如果裂紋長度超出了臨界長度，則說明，該次撞擊事件會導致艙體解體，最終因艙體爆炸性失壓引起航天員及航天器的失效；MSCSurv代碼對穿孔直徑和裂紋長度的計算有兩種方法:

(1)Schonberg and Williamsen模型:主要應用計算模型；

(2)Burch D90穿孔直徑模型:只用來計算第 (1)個模型不適用的防護結構。

4.3.2 姿控失效

定義:從穿孔泄氣是否會引起艙體姿態(tài)失控(影響因素包括姿態(tài)控制能力、航天器重量和轉動慣量、撞擊位置、穿孔大小以及艙內氣體體積)導致航天員無法通過應急航天器逃生而傷亡；在MSCSurv程序中，根據(jù)各個單元/網(wǎng)格距離航天器質心距離、氣體泄漏時間以及姿態(tài)控制系統(tǒng)可耐受的最大姿態(tài)角加速度和角速度擾動，先驗計算出容許該單元/網(wǎng)格處容許的最大穿孔直徑；每次計算過程中，MSCSurv計算每個碎片在對應位置處的穿孔直徑，如果超過先驗計算結果，則該次擊穿事件導致艙體姿態(tài)失控。

4.3.3 艙內關鍵系統(tǒng)失效

定義:位于撞擊位置背部艙內關鍵設備 (壓力瓶、陀螺等高能產品/設備、電源總線、供電電纜以及導航控制系統(tǒng)等故障嚴酷度為I類設備)被碎片撞擊后導致航天器功能或系統(tǒng)失效以及航天員傷亡；在MSCSurv程序中，通過計算艙內關鍵設備暴露面積與外部艙體結構撞擊單元/網(wǎng)格面積的比值，對關鍵設備的失效引起系統(tǒng) (航天器和航天員)失效進行計算。

4.3.4 艙外關鍵設備失效

定義:由于艙外推進劑儲箱或其他外部關鍵設備被碎片擊中或引起結構斷裂導致航天器功能或系統(tǒng)失效以及航天員傷亡。

首先，是否會導致儲箱直接爆炸；其次，儲箱或氣瓶是否會解體 (導致背部的壓力墻擊穿開口或破碎)；最后，是否會因此因儲箱漏氣推力導致從艙體上分離 (壓力墻被撕裂)。

4.3.5 乘員被碎片擊中失效

定義:當碎片擊穿進入艙內后進場設備以及航天員正好處于被擊穿區(qū)域，導致乘員因直接被擊中而傷亡；在MSCSurv程序中，將穿孔區(qū)域60°錐角、2.13m(84英寸)以內區(qū)域定義為航天員會被碎片擊中受傷區(qū)域 (與所處方向無關)；一旦撞擊 (擊穿)事件發(fā)生，MSCSurv計算此時航天員與穿孔之間的距離，如果正好處于以上區(qū)域內，則認為航天員被碎片擊中受傷 (導致航天員被擊中受傷的碎片臨界能量遠低于撞擊碎片能量)。

MSCSurv建立了航天員位置隨時間變化的模型 (包括每小時內各個航天員所處的艙段、對應概率以及在各個艙段內到艙門距離)，以及用于評估航天員睡覺期間的位置及傷亡概率的專門模型。

同時，MSCSurv開發(fā)了航天員受傷條件下，營救可行性分析模塊。包括:搜尋和轉移受傷者以及關閉艙門；通過計算粒子/碎片云能量，分析碎片是否會導致受傷航天員無法自救或被營救后隨后會傷亡；軟件使用者可以選擇計算乘員被擊穿后馬上傷亡的概率以及被營救后隨后傷亡的概率；假如其他航天員無法對受傷航天員進行營救，則MSCSurv會將此次受傷事件定為因碎片擊中傷亡失效事件；假如其他航天員可以對受傷航天員進行營救，但受傷航天員立馬死亡或隨后死亡的概率特別高，則該事件也會被定義為因碎片擊中傷亡失效事件。

4.3.6 乘員受二級損傷失效

定義:因碎片擊穿事件的次級效應 (閃光(眩暈光照)、壓力脈沖 (過壓)和溫度劇升)導致附近航天員傷亡以及艙體結構因沖擊波在殼體背部發(fā)生層裂形成二次碎片破壞系統(tǒng)的計算機、通訊設備和行波管等易損部件引起系統(tǒng)失效最終導致航天員傷亡；MSCSurv利用航天員與穿孔距離、擊穿能量以及碎片云質量計算過壓水平，分析對應過壓水平下航天員失能概率，并將該次撞擊事件定義為次級損傷失效事件；如果撞擊點處的閃光足夠強，導致航天員瞬間或永久性失明并失去意識，判定是否為閃光引起次級損傷需滿足兩個標準:(1)航天員面對著撞擊點；(2)距離足夠近，閃光會產生損傷效應。

4.3.7 缺氧失效

定義:計算因穿孔導致空氣泄漏而最終導致艙體緩慢失壓，且在航天員逃生或關閉失壓艙門前，導致一名或多名航天員缺氧而最終傷亡；包括正常以及逃生過程中因缺氧失效。

(1)正常缺氧模式定義為由于穿孔直徑太大導致艙段失壓迅速從而使乘員無法轉移安全；

(2)逃生過程缺氧模式則被定義為航天員在逃生過程中，缺氧事件發(fā)生且無時間轉移到安全處；另外，MSCSurv還會對比乘員臂力與艙體失壓過程中的氣流，假如乘員臂力小于艙體失壓氣流推力，則也定義該次撞擊事件為缺氧事件。

撞擊事件發(fā)生后，假如密封艙內的空間壓力降低到航天員逃生或關閉艙門所需的最低壓力情況下，則由于缺氧導致的航天員傷亡事件發(fā)生，影響概率評估的主要因素包括乘員在各艙段的位置分布、在單個艙段分布、乘員睡覺狀態(tài)以及逃生轉移速度、艙門開閉狀態(tài)、艙內大氣容積比、壓力墻穿孔大小及乘員及航天器應急措施等；MSCSurv通過對比航天員可用逃生時間與壓力下降到航天員缺氧的時間，評估航天員是否會因缺氧而傷亡。

4.4 靈敏度分析

在完成了基本評估分析后，MSCSurv允許設計師進行靈敏度分析，通過對各項參數(shù)進行獨立配置，開展各項因素 (參數(shù))對最終傷亡概率的影響分析，以指導防護和系統(tǒng)方案設計，最終達到降低航天員傷亡風險的目的；靈敏度分析參數(shù)包括:臨界裂紋長度、穿孔直徑模型、裂紋形成模型、多復合防護結構的穿孔深度方程、給定足夠穿孔深度條件下關鍵設備的失效概率、應急航天器起飛允許的最大姿態(tài)角速度、內部碎片云分布、艙內結構面密度、航天員在各艙段分布模型、航天員在各艙段的位置模型、艙門開閉狀態(tài)、移動到艙門的時間、關閉艙門的時間、航天員逃生前的反應時間、航天員生存大氣臨界壓力、艙內大氣占有率、穿孔形狀 (泄漏參數(shù))，另外還針對裂紋長度、艙內結構面密度、艙內碎片致死率、臨界失壓壓力、艙門開閉狀態(tài)等5項因素開展多因素影響靈敏度分析。

4.5 航天員自救能力分析

新版本的MSCSurv相比早期版本具備為航天員可以對擊穿事件發(fā)生后航天員運動和緊急修復系統(tǒng)進行仿真；在仿真模型中共包括3種救生預案，并分別比較各預案對降低航天員傷亡 (概率)的貢獻:

(1)“半站隔離”，航天器內失壓報警后，根據(jù)航天員的傷亡情況以及剩余逃生時間，決定是否關閉關鍵艙段艙門，保證剩余艙段不失壓。

(2)“順手隔離泄漏艙段”，在航天器內失壓報警，航天員逃生過程中可同時檢測確認失壓艙段以及穿孔位置，并順手將該艙段的艙門關閉，以保證剩余艙段的安全。

(3)“穿孔位置快速檢測”，借助穿孔位置探測系統(tǒng)去檢測失壓艙段，由航天員確認并快速關閉該艙段艙門，以保證剩余艙段的安全。

5 我國未來載人航天任務風險評估需求及發(fā)展啟示

我國載人航天工程的三期任務正在研制的載人空間站系統(tǒng)在軌運行壽命要求將大于10年，且航天員長期在軌駐留，暴露面積大、在軌飛行時間長、M/OD撞擊的風險大大增加?，F(xiàn)階段，我國M/OD環(huán)境下載人航天器風險評估以 “壓力艙擊穿”為失效準則，而多艙段在軌組裝的空間站及未來超大型載人航天器，系統(tǒng)艙段間冗余、防護設計、艙內壓力體制、各艙門開閉狀態(tài)等諸多設計因素都會影響M/OD環(huán)境下載人航天器及航天員的在軌生存力評估結果，以 “壓力艙擊穿”準則進行系統(tǒng)失效風險評估方法太過保守，評估結果也不夠精準。因此急需開展M/OD防護設計及撞擊失效 (載人航天器系統(tǒng)失效及航天員傷亡)風險評估研究并盡快服務于工程應用。

MSCSurv代碼開發(fā)以及在航天飛機、國際空間站項目中的評估應用和防護設計指導等成功應用極大地保障了這些大型空間任務的在軌順利實施，對我國未來M/OD環(huán)境下 (載人)航天器及航天員在軌生存力評估發(fā)展具有很強的啟示意義:

(1)開展航天器及航天員失效評估方法研究。

基于典型航天器系統(tǒng)方案、在軌飛行任務規(guī)劃和航天員在軌工作、生活模式設計，以M/OD環(huán)境下航天器及航天員失效傷亡作為頂事件，開展航天器失效模式及對應評估準則研究，搭建航天器及航天員生存力評估系統(tǒng)核心框架；

(2)完成典型失效模式的仿真分析及實驗驗證。

開展易損性評估技術研究，針對航天器系統(tǒng)典型失效模式，基于仿真分析和實驗驗證手段，開展M/OD超高聲速撞擊下，壁板結構、關鍵部件、組件的撞擊損傷模型研究，建立失效機理、臨界失效準則；

(3)航天器及航天員失效評估模塊開發(fā)及與傳統(tǒng)風險評估系統(tǒng)的集成。

基于撞擊損傷模型、失效模式和評估準則，開發(fā)通用航天器及航天員失效評估模塊，通過信息流嵌入、協(xié)同交互，實現(xiàn)與中國空間技術研究院現(xiàn)有成熟 “空間碎片防護設計軟件包”(MODAOST，Meteoroid&Orbital Debris Assessment and Optimization System Tools)集成，提升現(xiàn)有風險評估能力；

(4)開展在我國載人航天器的工程應用。

基于我國載人航天器未來長期在軌運營任務需求，立足保證載人航天器系統(tǒng)和航天員在軌安全，開展載人航天器長期在軌飛行風險精準評估，從任務規(guī)劃層面降低系統(tǒng)失效風險，同時也可用于評估影響載人航天器及航天員生存力的主要因素，并針對性地指導防護措施設計，提高載人航天工程綜合任務效能。