CN108408083B - 载人航天器在轨运行风险防控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种载人航天器在轨运行风险防控方法，包括以下步骤：a.识别载人航天器在轨飞行的风险项目；b.针对识别的风险项目，对载人航天器进行风险防控设计，消除可消风险项目；c.针对残余的不可消风险项目，对载人航天器进行产品实现过程中的过程控制；d.对航天器进行在轨状态监测和自主健康管理，并转入安全模式；e.对载人航天器进行功能重构；f.对载人航天器进行在轨维修，更换故障设备。根据本发明的载人航天器在轨运行风险防控方法可以最大程度消除风险、降低风险并且控制风险，使得载人航天器在轨长寿命期间的安全运行。

Description

载人航天器在轨运行风险防控方法

技术领域

本发明涉及航天器总体设计技术领域，尤其涉及一种载人航天器在轨运行风险防控方法。

背景技术

随着人类探索航天技术的发展，建造低轨道多飞行器组装空间站，扩展行星际间载人深空探测是必然趋势，这对载人航航天器在轨运行寿命提出了更高要求。

低轨道长寿命载人航天器在轨飞行环境特殊，太阳辐射、大气阻力、原子氧、地球磁场、高能带电粒子、电离层可能导致单机性能退化；空间碎片环境日益恶化，特别是2009年2月美国通信卫星铱星33与俄罗斯的cosmos2251发生相撞，产生大于10cm的碎片数量可能超过1000个，1cm以上的碎片则高达数万个。在轨飞行期间不可避免遭遇空间碎片与微流星体撞击；人长期在轨飞行的代谢产物中，CO2、H2S、HCl、NO2等酸性气体在潮湿环境下会对设备产生电化学侵蚀，影响设备性能及工作寿命；支持开展的空间科学试验、特殊技术试验、航天新技术试验和航天医学试验，有效载荷种类繁多，接口需求复杂，对系统资源的占用率高；同时，长期运过程中安排的交会对接、大型设备组装、在轨维修与轨道服务等短时任务，也会冲击平台运行安全。

保证平台运行良好，从而确保航天员安全是载人航天器的首要任务。因此，识别在轨运行任务中存在的风险，采取措施消除、预防和控制风险，对确保载人航天器长寿命运行期间的安全，具有重要意义。目前航天产品已有的风险防控措施，主要集中在单飞行器地面研制过程，载人航天器直接应用具有以下问题：

1)不能发挥航天员的主观能动性，在轨运行风险控制效能差；

2)不能发挥多飞行器组合体在轨控制功能重构的优势。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种载人航天器在轨运行风险防控方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种载人航天器在轨运行风险防控方法，包括以下步骤：

a.识别载人航天器在轨飞行的风险项目；

b.针对识别的风险项目，对载人航天器进行风险防控设计，消除可消风险项目；

c.针对残余的不可消风险项目，对载人航天器进行产品实现过程中的过程控制；

d.对航天器进行在轨状态监测和自主健康管理，并转入安全模式；

e.对载人航天器进行功能重构；

f.对载人航天器进行在轨维修，更换故障设备。

根据本发明的一个方面，在所述a步骤中，所述风险项目包括：可能导致载人航天器在轨飞行时安全风险的关键事件和薄弱环节；以及

一般危险源和故障危险源，通过危险分析进一步识别的危险事件。

根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，所述风险防控设计包括：

冗余设计，消除影响载人航天器正常运行的单点风险点；

量化裕度设计，保证载人航天器的强度裕度和驱动力矩裕度；

信息流设计和供配电可靠性设计，消除故障危险源，降低航天器运行风险；

舱段间功能重构设计，可实现载人航天器舱段接替控制。

根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，所述风险防控设计还包括：

航天员人身安全设计，防止航天员触电、吸入有毒气体以及受到噪声干扰。

根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，航天器产品实现过程包括工艺控制、操作安装、试验验证和验收管理。

根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，过程控制包括在所述航天器产品实现过程中设置关键和强制检验点。

根据本发明的一个方面，在所述d步骤中，所述安全模式为根据概率风险评估结合故障模式与影响分析的方法分析风险传播路径，对路径上的重要风险点提出围绕平台能源、控制、推进、热控核心功能安全的安全模式。

根据本发明的一个方面，在所述e步骤中，所述功能重构为具有多舱段的载人航天器在单舱段的风险防控措施无效的情况下，当载人航天器的主控舱段出现威胁平台安全的故障时，隔离并切除故障设备，通过信息系统调配其他舱段的同等功能设备接替工作。

根据本发明的一个方案，本发明通过设计消除风险、通过关键项目和重要项目管理在航天器产品实现过程中控制风险、通过在轨自主故障管理降低风险、通过辅助航天员在轨维修从风险事件中恢复的一整套风险防控方法，可以发挥载人航天器航天员主观能动、多舱段组合体功能备份的优势，达到有效防控在轨运行风险的目的。

根据本发明的一个方案，本发明从载人航天器的设计、产品研制生产过程、在轨故障自主处置、组合体其他舱段接替控制权和在轨维修修复四个维度，提出了全面的载人航天器在轨运行风险防控措施，能够实现的有益效果是：从航天器的本质安全设计，最大程度消除风险；通过对残余风险进行产品过程控制，进一步降低风险；在轨故障自主处置和组合体舱段接替控制可以实时处置突发情况，进入安全模式，控制风险；在轨维修进一步发挥航天员主观能动性，有效从风险事故中恢复；实现载人航天器长寿命期间的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示根据本发明的载人航天器在轨运行风险防控方法的流程图。

具体实施方式

此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，附图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

图1示意性表示根据本发明的载人航天器在轨运行风险防控方法的流程图。如图1所示，根据本发明的载人航天器在轨运行风险防控方法包括以下步骤：

a.识别载人航天器在轨飞行的风险项目；

b.针对识别的风险项目，对载人航天器进行风险防控设计，消除可消风险项目；

c.针对残余的不可消风险项目，对载人航天器进行产品实现过程中的过程控制；

d.对航天器进行在轨状态监测和自主健康管理，并转入安全模式；

e.对载人航天器进行功能重构；

f.对载人航天器进行在轨维修，更换故障设备。

在本发明中，是通过从载人航天器的设计、过程控制、在轨故障自主处置、组合体舱段接替控制权以及航天员对载人航天器上故障设备的维修五个方面构建载人航天器在轨运行风险防控。由上可知，本发明的风险防控方法包括：

步骤a：获得识别的载人航天器在轨飞行的风险项目；

根据本发明的一种实施方式，以载人航天器飞行事件链为线索，递进剖析航天器单步飞行时序动作。识别过程是从载人航天器中的飞行指令发出，到载人航天器响应执行飞行动作，至载人航天器实现飞行的效果反馈。风险项目包括上述载人航天器飞行事件链条上可能导致安全风险的关键事件和薄弱环节、对航天器飞行事件补充辨识的一般危险源和故障危险源以及通过对一般危险源和故障危险源进行危险分析进一步识别的危险事件。

在本发明中，关键事件：例如“入轨消初偏”、“中继天线展开及对日定向”；

薄弱环节：例如I、II类单点故障模式，火工品起爆解锁；

一般危险源：例如失火、失压、高压电、微生物污染、噪声都属于一般危险源；

故障危险源：例如舱门、对接机构机械组件等；

危险事件：例如交会对接主动舱撞击被动舱体。

在本实施方式中，针对上述关键事件和危险事件进行故障树建模，重点开展自上而下的故障树分析，补充自下而上的故障模式与影响分析，定位Ⅰ、Ⅱ类故障模式以及Ⅰ、Ⅱ类单点失效模式清单，从而识别需要从载人航天器初始设计角度尽可能消除的风险点，使得风险项目减到最少，发生概率降到最低。

在此基础上，从载人航天器(包括航天器上的所有设备仪器和元器件)的设计、生产、安装、试验、验收和管理六个方面分析控制措施，识别控制措施中工艺、不可测和验证试验方面存在的风险点。

步骤b：针对识别的风险项目，对载人航天器开展可靠性设计(风险防控设计)，最大程度消除识别到的风险项目；

根据本发明的一种实施方式，由上可知，载人航天器风险防控的第一道措施是通过对载人航天器的设计消除风险。载人航天器在轨运行过程中的风险包括两类，一类是载人航天器正常运行以及短时任务风险，另一类是航天员生命安全风险。

在本实施方式中，针对影响载人航天器正常运行的舱体结构与密封、供配电与能源管理、姿态轨道控制、信息管理和热管理这五类核心功能的风险点，通过冗余设计消除单点风险点；采用量化裕度设计保证强度裕度和驱动力矩裕度；开展信息流设计和供配电可靠性设计，消除故障危险源，实现一次故障保任务连续，两次故障保载人航天器安全的目标，降低航天器运行风险。同时，结合大型载人航天器多舱段组合的特点，开展核心功能的舱段间功能重构设计，为舱段接替控制提供条件。

同时，对影响航天员人身安全的包括高压电、有害气体及噪声等一般危险源，采取安全性设计措施，及航天员人身安全设计。形成载人航天器高压供电安全控制和实施的体系规范，控制航天员触电风险；通过对用量超过500g的非金属材料有害气体筛选，从源头严格控制舱内的有害气体，适度配置微量有害气体净化装置，用最小在轨资源代价实现有害气体清除；全面应用吸、隔、消、减的措施实现空间静音效果。

步骤c：对于残余的风险项目，从产品加工制造到成品安装使用过程中的工艺控制、操作安装、试验验证和验收管理几个方面进行产品实现过程中的过程控制。产品实现过程即为航天器上设备仪器或者元器件的制造加工至成品安装使用的过程。

根据本发明的一种实施方式，在上述步骤b的基础上，对于无法消除的残余风险项目，从特性分析入手，从对标技术要求以及长寿命、安全性、可靠性、维修性、测试性、保障性和环境适应性等方面分析，残余风险项目产品的关键特性和重要特性。从工艺控制、操作安装、试验验证、验收管理几个方面制定量化过程控制措施，设置关键和强制检验点，通过试验验证、产品验收环节，检查过程控制结果。通过过程把关，控制产品的固有可靠性，进一步降低产品实现过程中的风险。

针对航天器的在轨长寿命运行的任务特点，开展长寿命敏感要素分析，从航天器适应低轨空间环境、满足长期在轨飞行资源配置和加强系统可靠性三方面进行长寿命覆盖性验证，降低低轨空间环境带来的风险，确保了长寿命设计。

步骤d：对航天器进行在轨状态监测和航天器的自主健康管理，通过转入安全模式降低风险。即降低上述残余风险项目，将残余风险项目减到最少，风险发生的概率降到最低。

根据本发明的一种实施方式，开展航天器在轨故障自主控制设计，通过在轨状态监测和自主健康管理，和安全模式设计，解决载人航天器长期无人值守期间的安全性问题。

采用概率风险评估结合故障模式与影响分析的方法，分析风险传播路径，对路径上的重要风险点，提出了一套围绕平台能源、控制、推进、热控核心功能安全的风险等级定义原则，分级设计安全模式，从而达到阻断路径，控制风险的目的。根据风险等级通过分层级设置不同的安全阈值，在保证安全可靠的前提下，设计阈值可在轨修改属性，当关键参数达到不同的预置阈值时，采取报警、关闭大功率设备、关闭应用载荷等处理措施，保障整器安全，等待排除故障后恢复任务。

同时，进行天地一体化控制通道交叉设计，对风险传播路径中关键事件状态的多点监测，对在轨运行状态或潜在风险事件实时诊断。通过信息融合，实现风险事件诊断后自主进入安全模式，为飞行器在轨运行安全，又增加一道风险防控措施。通过在航天器组合体不同信息系统网络和不同设备中，进行任务数据暂存，基于信息融合设计，在风险事件处置后，取回暂存数据，进行正确性判断后实现系统恢复。进一步解决了风险处置后的系统恢复问题。对影响任务和安全的软件，设置重要控制参数与设定的可修改属性，进一步保障了平台运行持续性，保证了航天员安全。

步骤e：对载人航天器进行功能重构；

根据本发明的一种实施方式，载人航天器通常由多个航天器构成的组合体，具有多个舱段。发挥大型载人航天器多舱段组合的特点，在载人航天器的其中一个单舱段的风险防控措施无效的情况下，当主控舱段出现威胁航天器安全的故障时，隔离并切除故障设备，通过信息系统调配其他舱段的同等功能设备，接替工作，进一步消除运行过程中的风险。

步骤f：对载人航天器进行在轨维修，更换故障设备，将载人航天器从风险事件中恢复。

根据本发明的一种实施方式，对航天器进行在轨维修是发挥航天员主观能动性，将载人航天器从故障事件中恢复，从而实现控制航天器全寿命期间运行风险的最后一道措施，也是控制风险最彻底的一道措施。识别维修性设计要求，是将“好维修”特性落实到空间站系统和设备设计中的关键。

从故障模式、故障原因、故障规律方面进行故障分析，分析产品的寿命，进一步对航天员操作技能的要求以及对维修时间、维修工时等保障资源方面，确定维修需求。针对维修需求，制定维修策略，确定维修类型、维修方式、维修层次，结合系统、产品的设计方案和维修特性，开展维修方案设计并确定验证方法；最后根据维修方案提出维修操作手册，作为航天员在轨操作的依据。

在轨通过自主健康管理检测航天器的运行状态，在发生故障时进行故障检测与定位，隔离故障单机，系统切换工作模式，维持平台正常运行，由航天员对故障单机进行维修更换，更换后进行测试，连入系统恢复正常工作。

根据本发明的上述方法，通过设计消除风险、通过关键项目和重要项目管理在航天器产品实现过程中控制风险、通过在轨自主故障管理降低风险、通过辅助航天员在轨维修从风险事件中恢复的一整套风险防控方法，可以发挥载人航天器航天员主观能动、多舱段组合体功能备份的优势，达到有效防控在轨运行风险的目的。

根据本发明的上述方法，本发明从载人航天器的设计、产品研制生产过程、在轨故障自主处置、组合体其他舱段接替控制权和在轨维修修复四个维度，提出了全面的载人航天器在轨运行风险防控措施，能够实现的有益效果是：从航天器的本质安全设计，最大程度消除风险；通过对残余风险进行产品过程控制，进一步降低风险；在轨故障自主处置和组合体舱段接替控制可以实时处置突发情况，进入安全模式，控制风险；在轨维修进一步发挥航天员主观能动性，有效从风险事故中恢复；实现载人航天器长寿命期间的安全运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种载人航天器在轨运行风险防控方法，包括以下步骤：

a.识别载人航天器在轨飞行的风险项目；

b.针对识别的风险项目，对载人航天器进行风险防控设计，消除可消风险项目；

c.针对残余的不可消风险项目，对载人航天器进行产品实现过程中的过程控制；

d.对航天器进行在轨状态监测和自主健康管理，需要时可转入安全模式；

e.对载人航天器进行功能重构；

f.对载人航天器进行在轨维修，更换故障设备；

在所述b步骤中，所述风险防控设计包括：

冗余设计，消除影响载人航天器正常运行的单点风险点；

量化裕度设计，保证载人航天器的强度裕度和驱动力矩裕度；

信息流设计和供配电可靠性设计，消除核心系统的故障危险源，降低航天器运行风险；

舱段间功能重构设计，可实现载人航天器舱段接替控制。

2.根据权利要求1所述的载人航天器在轨运行风险防控方法，其特征在于，在所述a步骤中，所述风险项目包括：可能导致载人航天器在轨飞行时安全风险的关键事件和薄弱环节；以及

通过对一般危险源和故障危险源进行危险分析进一步识别的危险事件。

3.根据权利要求1所述的载人航天器在轨运行风险防控方法，其特征在于，在所述b步骤中，所述风险防控设计还包括：

航天员人身安全设计，防止航天员触电、吸入有毒气体以及受到噪声干扰。

4.根据权利要求1所述的载人航天器在轨运行风险防控方法，其特征在于，在所述c步骤中，航天器产品实现过程包括工艺控制、操作安装、试验验证和验收管理。

5.根据权利要求4所述的载人航天器在轨运行风险防控方法，其特征在于，在所述c步骤中，过程控制包括在所述航天器产品实现过程中设置关键和强制检验点。

6.根据权利要求1所述的载人航天器在轨运行风险防控方法，其特征在于，在所述d步骤中，所述安全模式根据概率风险评估结合故障模式与影响分析的方法分析风险传播路径，对路径上的重要风险点围绕平台能源、控制、推进、热控核心功能安全设计安全模式。

7.根据权利要求1所述的载人航天器在轨运行风险防控方法，其特征在于，在所述e步骤中，所述功能重构为具有多舱段的载人航天器在单舱段的风险防控措施无效的情况下，当载人航天器的主控舱段出现威胁平台安全的故障时，隔离并切除故障设备，通过信息系统调配其他舱段的同等功能设备接替工作。