CN112722328B - 载人航天器在轨可更换单元识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种载人航天器在轨可更换单元识别方法，包括以下步骤：S1、确定载人航天器在轨维修策略；S2、对载人航天器进行寿命分析，并结合所述在轨维修策略确定在轨维修项目；S3、分析所述在轨维修项目的维修特性，确定备选单元；S4、分析所述备选单元在维修更换时的影响；S5、从所述备选单元中筛选出在轨可更换单元。本发明综合考虑了在轨维修单元对安全性、可靠性、维修性、测试性和保障性等方面的要求和影响，从而达到在保证系统安全的基础上，实现快速便捷更换单元，并且减少维修保障资源的目的。

Description

载人航天器在轨可更换单元识别方法

技术领域

本发明涉及一种载人航天器在轨可更换单元识别方法。

背景技术

在载人航天器的长期运行过程中，有可能会发生各种故障，严重影响任务完成和系统安全。在轨维修是一种预防和消除故障，保障载人航天器长寿命的有效手段。如和平号空间站原设计寿命5年，但是通过在轨维修支持(据统计，站上航天员75％的工作时间用于在轨维修)和维修资源保障，使实际寿命延长到了15年；国际空间站上也进行了大量的维修操作，截止到2005年10月，宇航员对美国舱和俄罗斯舱一共进行了4000多小时的维修，在空间站的组装建造期间，预计要运输维修备件约32吨，利用在轨维修技术后，国际空间站的寿命预计将达到15年。因此开展在轨维修技术的研究对我国未来载人航天器系统的研发具有重要意义。

国际空间站的在轨维修思路是以永久性在轨维修为主。临时性在轨维修会给空间站带来更大的危险性，并且比永久性在轨维修花费宇航员更多的时间。实施上，美国主要是通过拆卸并完全替换故障在轨可更换单元(ORU)，从而减少航天员的维修时间，增加航天员进行在轨科学活动的时间(当国际空间站完全建成后，有超过5700个ORU)；只有当时间有限，或缺少ORU配件时，维修才对ORU内部模块替换。当在轨维护受到ORU设计的限制时，失效的ORU返还地面进行维修，然后作为地面备件存储。在轨更换ORU和在轨修复ORU相比较具有花费时间短，维修操作简单的特点，结合我国还未具有开展空间维修操作经验的实际情况，我国空间站的维修方式也以在轨更换ORU为主。识别ORU，是进行进一步维修性设计，提出维修性设计要求，运营规划备件种类，预估保障资源量级的基础，是进一步进行维修方案设计的前提。因此，研究并提出ORU的识别方法具有重要意义。

由于现有技术中没有载人航天器的在轨维修经验，虽然国内航空和武器装备系统在进行维修性设计中的现场可更换单元(LRU)识别方法可供参考借鉴，但是地面维修环境与在轨环境的巨大区别，将该方法简单运用于载人航天器可能存在如下问题：

1.无法在线故障检测、定位到ORU所在层次；

2.ORU模块层次过低，在轨失重、真空环境下无法实施精细的维修操作，无法实现对故障件的有效更换，使系统面临安全威胁；

3.ORU模块过多，导致维修工作需要占用航天员大量工时，影响其他任务的完成，并且也加大了对维修保障资源的要求，增加货运压力，增加运营成本。

因此不能简单照搬地面识别现场可更换单元的方法，需要重新进行研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在轨运用的载人航天器在轨可更换单元识别方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种载人航天器在轨可更换单元识别方法，包括以下步骤：

S1、确定载人航天器在轨维修策略；

S2、对载人航天器进行寿命分析，并结合所述在轨维修策略确定在轨维修项目；

S3、分析所述在轨维修项目的维修特性，确定备选单元；

S4、分析所述备选单元在维修更换时的影响；

S5、从所述备选单元中筛选出在轨可更换单元。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(S1)中，分析载人航天器有人驻留的模式、不同模式的特点以及对可靠性和维修性的要求，并结合载人航天项目整体运营规划和后勤保障约束，确定能够实现最大效能且符合实际的在轨维修策略。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(S1)中，所述在轨维修策略包括：

对于多功能器件，若其独立的功能在单独的模块实现，则采用更换模块的策略，否则采用更换整机的策略；

对于单一功能器件，采用更换整机的策略；

对于可与其模块通用的器件，采用更换整机的策略，并对其进行通用化、标准化、模块化设计；

对于有精度要求的器件，采用更换整机的策略。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(S1)中，还包括在所述在轨维修策略的基础上，确定维修性设计的原则。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(S2)中，分别对载人航天器器件和系统进行寿命分析；

对于载人航天器系统，对其进行关键功能分析，识别关键功能器件；

对于载人航天器器件，结合故障模式、故障原因和故障规律分析其寿命特征，并以实际飞行验证或试验验证为基础对其寿命进行分析。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(S3)中，根据所述在轨维修项目的功能组成、故障定位、隔离层次、不同模块的故障率水平、更换备件重量和尺寸以及维修操作难易度分析所述在轨维修项目的维修特性。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(S4)中，所述备选单元在维修更换时的影响包括对系统和人员的安全性的影响、维修时是否可达、是否需要移动其他部件、能否被故障检测和定位、维修层次是否合理、对测试性设计的要求、维修保障代价和维修操作的可实现性。

根据本发明的一个方面，所述步骤(S5)中的筛选流程为：

a、判断更换所述备选单元是否能恢复系统的安全性水平,若是，则进一步判断是否能在轨安全更换所述备选单元，否则进行后续流程；

b、判断更换所述备选单元是否是预防性维修需要，若是，则进一步判断是否能在轨安全更换所述备选单元，否则进行后续流程；

c、判断所述备选单元与其内部器件的可靠性是否存在很大差异，若是，则对器件重新设计或对所述备选单元继续分解，否则进行后续流程；

d、判断故障检测和隔离是否能在所述备选单元所在层次实现，若是，则进行后续流程，否则在其更高一层次作此判断；

e、判断所述备选单元是否能作为一个整体拆卸，若是，则将其设计为一个在轨可更换单元，否则对其更高一层次的单元作此判断。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，若能在轨安全更换所述备选单元，则转至所述步骤(c)继续进行，否则重新设计或更换器件层次；

在所述步骤(b)中，判断所述备选单元是否是寿命不满足寿命要求，且需要定期更换的单元或者是系统的关键功能单元，若是，则判断为有预防性维修需要，否则判断为有修复性维修需要；

在所述步骤(d)中，若故障检测和隔离能在所述备选单元的更高一层次实现，则判断所述备选单元的更高一层次的单元是否能作为整体拆卸，否则重新设计或更换器件层次。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(d)或所述步骤(e)中，若所述备选单元的更高一层次的单元能够作为一个整体拆卸，则判断其与内部器件的可靠性是否存在很大差异，否则进行重新设计或更换器件层次；

若所述备选单元的更高一层次的单元与其内部器件的可靠性存在很大差异，则重新设计或更换器件层次，否则将其确定为一个在轨可更换单元。

根据本发明的方案，根据维修策略和寿命分析确定在轨维修项目，结合故障分析，从故障模式的角度对在轨维修项目进行分解，作为在轨可更换单元的备选单元，然后分析在轨维修的设计要求和约束因素，分层次进行逻辑判断、选择，确定一个单元是否设计成在轨可更换单元、或需要进行设计改进、或需提高单元层次或者考虑对单元进一步分解。最后综合评价，确定最终的在轨可更换单元。由此，本方法综合考虑了在轨维修单元对安全性、可靠性、维修性、测试性和保障性等方面的要求和影响，从而达到在保证系统安全的基础上，实现快速便捷更换单元，并且减少维修保障资源的目的。由本发明的方法确定在轨可更换单元可保证系统和维修操作人员的安全，且确定的在轨可更换单元层次合理，方便可达性设计和测试性设计。并且，在轨可更换单元中包含部件故障率相近，可减少不必要的维修更换，节约系统资源。使用本发明的方法时，维修操作简便，对维修技能要求较低，减少维修工时。并其本方法权衡系统好维修特性和维修保障资源需求，能实现最大效能。

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示意性表示本发明的一种实施方式的载人航天器在轨可更换单元识别方法的流程图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的载人航天器在轨可更换单元识别方法中的筛选流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1，本发明的载人航天器在轨可更换单元识别方法中，首先确定载人航天器在轨维修策略。分析载人航天器有人驻留的模式、不同模式的特点以及对可靠性和维修性的要求，并结合载人航天项目整体运营规划以及后勤保障约束，确定能够实现最大效能且符合实际的在轨维修策略。载人航天器有人驻留的模式包括连续有人驻留和间断有人驻留。另外，在在轨维修策略的基础上，还要提出维修性设计的原则，例如器件可检测性指标、可达性指标等。对于不同类别的器件(或称产品)，其维修策略也不同。对于多功能器件，若其独立的功能在单独的模块实现，则可以直接采用更换故障的模块的策略，即维修层次为模块。对于单一功能器件，只能采取整机更换的策略，即维修层次为整机。在载人航天器各个分系统中，有些设备和模块是通用的，对于这些设备，其维修层次应为整机，即采用整机更换的策略。并且还可对这类器件(即设备)进行通用化、标准化、模块化设计，从而减少对维修保障资源的需求。对于有精度要求的器件，如测量敏感器等，在轨拆修部件，组装后器件精度很难实现，没有可行性，故应采取整机更换的策略，即维修层次应定为整机。另外空间站上器件种类繁多，工作环境恶劣，并且工作方式复杂。这些都将直接影响维修活动的可操作性，也决定了维修层次，维修方式和对保障资源的要求。

随后对载人航天器进行寿命分析，并结合在轨维修策略确定在轨维修项目。维修是为了预防或修复故障而进行的活动，通常器件在寿命末期故障率会较高，或者设计寿命到期后，不能很好的满足功能、性能要求。所以识别在轨维修项目需要建立在对器件和系统分别进行寿命分析，把握其寿命特征的基础上进行。对于系统而言，同时需要对其进行关键功能分析，识别关键功能器件。对于器件而言，则从故障模式、故障原因和故障规律的角度出发，分析载人航天器器件的寿命特征，并且结合国外调研，在我国航天器件实际飞行验证或试验验证的基础上，对载人航天器器件的寿命进行初步的分析。在此基础上结合在轨维修策略，初步确定在轨维修项目。

在上述在轨维修项目确定完成后，分析在轨维修项目的维修特性，确定在轨可更换单元的备选单元(清单)。具体的，根据在轨维修项目的功能组成、故障定位、隔离层次、不同模块的故障率水平、更换备件重量和尺寸以及维修操作难易度分析在轨维修项目的维修特性。在上述制定在轨维修策略的过程中，实际也是根据项目的维修特性确定的维修层次。因此在此通过对上述维修特性分析，并结合上述制定的在轨维修策略，则可以提出初步的在轨可更换单元的备选清单。

得到备选清单后，需要对清单中的各个备选单元(或称备选项目)在维修更换时的影响进行分析。其影响包括对系统和人员安全性的影响、对测试性设计的要求、维修保障代价和维修操作的可实现性、维修时是否可达、是否需要移动其他部件、能否被故障检测和定位以及维修层次是否合理。维修层次过高会直接导致将正常部件也一并更换，从而加大保障资源的压力；过低则增加了设计上对系统资源的占用，并且也增加了维修操作难度。

最后则需要从备选清单中筛选出最终的在轨可更换单元。如图2所示，在筛选的过程中，首先判断更换备选单元是否能恢复系统的安全性水平,若是，则进一步判断其能否被在轨安全更换，否则判断更换所述备选单元是否是预防性维修需要。本发明通过分析备选单元的寿命来判断更换其是否是预防性维修需要。具体的，若当前备选单元为寿命不满足寿命要求，且需要定期更换的单元或者为系统的关键功能单元，则有预防性维修需要，否则是有修复性维修需要。若当前备选单元有预防性维修需要，则也判断其能否被在轨安全更换。若当前备选单元不能被在轨安全更换，则对器件重新设计或更换器件层次。对于预防性维修和修复性维修，在进行维修操作时，都会对故障单元进行更换。因此，若更换当前备选单元不是预防性维修需要，或者，当前备选单元能够被在轨安全更换，则进一步判断备选单元与其内部器件的可靠性是否存在很大差异。

若当前备选单元与其内部器件的可靠性存在很大差异，则会将不需更换的部件一并更换，浪费宝贵的资源，此时需对器件重新设计或对备选单元继续分解至更低一层次。当然，如果可靠性不存在较大差异，则进一步判断故障检测和隔离是否能在当前备选单元所在层次实现。若能实现，则进一步判断当前备选单元能否作为一个整体拆卸，若能，则可直接将当前备选单元设计为一个在轨可更换单元。若当前备选单元不能作为一个整体拆卸，则需要判断其更高一层次的单元是否能作为整体拆卸。另外，若故障检测和隔离不能在当前备选单元所在层次实现，则对其更高一层次作此判断，直至找到能够实现的层次。当某一高层次可实现故障检测和隔离时，则进一步判断该层的单元能否作为一个整体拆卸。如果上述在判断过程中，更高层次的单元能够作为一个整体拆卸，则进一步判断其与内部器件的可靠性是否存在很大差异，只有当差异不大时才能将其确定为一个在轨可更换单元，否则进行重新设计或更换器件层次。另外，如果前述判断中更高层次也不能实现故障检测和隔离，或是更高层次的单元也不能作为整体拆卸，则应更换器件层次或者直接对器件进行重新设计。

综上所述，本发明在维修特性分析的过程中，考虑到在轨维修更换对对空间站系统安全和航天员人身安全的影响，从而体现了本方法的安全性。并且，在筛选最终的ORU的的过程中，考虑到可靠性的差异，即维修单元的平均故障间隔时间(Mean Time BetweenFailure，MTBF)与单元内部器件是否有很大差异。而在策略制定时，根据维修特性确定了维修层次，使得测试设备和测试手段可在单元所在层次实现故障检测和故障隔离，体现了本发明的测试性考量。同时，维修层次的合理性决断部分综合分析维修层次是否过高或过低，从而体现了本发明对于保障资源压力和系统资源占用率方面的考量，使得本发明具有良好的保障性。另外，本发明还考虑了维修单元是否可达，单元能否作为一个整体进行拆卸和更换，并且在更换在轨可更换单元时，是否需要拆卸其他部件或影响其他部件的工作，这一点体现了本发明在维修性方面的综合考量。

由此，本发明针对安全性、可靠性、测试性、维修性和保障型分层次进行逻辑判断、选择，确定一个单元是否设计成在轨可更换单元、或需要进行设计改进、或需提高单元层次或者考虑对单元进一步分解。最后综合评价，确定在轨可更换单元。如此，利用本发明的方法确定ORU项目，可以在保证载人航天器系统安全的同时，减少维修操作难度，减小维修保障资源以及维修工时，从而也能减少货运压力。从而解决了ORU模块的难检测和定位、维修操作复杂、维修工时长和保障资源多的问题。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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可更换单元识别方法，包括以下步骤：

S1、确定载人航天器在轨维修策略；

S2、对载人航天器进行寿命分析，并结合所述在轨维修策略确定在轨维修项目；

S3、分析所述在轨维修项目的维修特性，确定备选单元；

S4、分析所述备选单元在维修更换时的影响；

S5、从所述备选单元中筛选出在轨可更换单元；

所述步骤(S5)中的筛选流程为：

a、判断更换所述备选单元是否能恢复系统的安全性水平,若是，则进一步判断是否能在轨安全更换所述备选单元，否则进行后续流程；

b、判断更换所述备选单元是否是预防性维修需要，若是，则进一步判断是否能在轨安全更换所述备选单元，否则进行后续流程；

c、判断所述备选单元与其内部器件的可靠性是否存在很大差异，若是，则对器件重新设计或对所述备选单元继续分解，否则进行后续流程；

d、判断故障检测和隔离是否能在所述备选单元所在层次实现，若是，则进行后续流程，否则在其更高一层次作此判断；

e、判断所述备选单元是否能作为一个整体拆卸，若是，则将其设计为一个在轨可更换单元，否则对其更高一层次的单元作此判断；

在所述步骤(a)中，若能在轨安全更换所述备选单元，则转至所述步骤(c)继续进行，否则重新设计或更换器件层次；

在所述步骤(b)中，判断所述备选单元是否是寿命不满足寿命要求，且需要定期更换的单元，若是，则判断为有预防性维修需要，否则判断为有修复性维修需要；

在所述步骤(d)中，若故障检测和隔离能在所述备选单元的更高一层次实现，则判断所述备选单元的更高一层次的单元是否能作为整体拆卸，否则重新设计或更换器件层次；

在所述步骤(d)或所述步骤(e)中，若所述备选单元的更高一层次的单元能够作为一个整体拆卸，则判断其与内部器件的可靠性是否存在很大差异，否则进行重新设计或更换器件层次；

若所述备选单元的更高一层次的单元与其内部器件的可靠性存在很大差异，则重新设计或更换器件层次，否则将其确定为一个在轨可更换单元。

2.根据权利要求1所述的载人航天器在轨可更换单元识别方法，其特征在于，在所述步骤(S1)中，分析载人航天器有人驻留的模式、不同模式的特点以及对可靠性和维修性的要求，并结合载人航天项目整体运营规划和后勤保障约束，确定能够实现最大效能且符合实际的在轨维修策略。

3.根据权利要求1所述的载人航天器在轨可更换单元识别方法，其特征在于，在所述步骤(S1)中，所述在轨维修策略包括：

对于多功能器件，若其独立的功能在单独的模块实现，则采用更换模块的策略，否则采用更换整机的策略；

对于单一功能器件，采用更换整机的策略；

对于可与其模块通用的器件，采用更换整机的策略，并对其进行通用化、标准化、模块化设计；

对于有精度要求的器件，采用更换整机的策略。

4.根据权利要求1所述的载人航天器在轨可更换单元识别方法，其特征在于，在所述步骤(S1)中，还包括在所述在轨维修策略的基础上，确定维修性设计的原则。

5.根据权利要求1所述的载人航天器在轨可更换单元识别方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，分别对载人航天器器件和系统进行寿命分析；

对于载人航天器系统，对其进行关键功能分析，识别关键功能器件；

对于载人航天器器件，结合故障模式、故障原因和故障规律分析其寿命特征，并以实际飞行验证或试验验证为基础对其寿命进行分析。

6.根据权利要求1所述的载人航天器在轨可更换单元识别方法，其特征在于，在所述步骤(S3)中，根据所述在轨维修项目的功能组成、故障定位、隔离层次、不同模块的故障率水平、更换备件重量和尺寸以及维修操作难易度分析所述在轨维修项目的维修特性。

7.根据权利要求1所述的载人航天器在轨可更换单元识别方法，其特征在于，在所述步骤(S4)中，所述备选单元在维修更换时的影响包括对系统和人员的安全性的影响、维修时是否可达、是否需要移动其他部件、能否被故障检测和定位、维修层次是否合理、对测试性设计的要求、维修保障代价和维修操作的可实现性。

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