MSCSurv評估系統(tǒng)介紹
——M/OD環(huán)境下載人航天器及航天員生存力評估系統(tǒng)介紹及對我國的發(fā)展啟示

武江凱，韓增堯， 龐寶君，張永

(1.中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094;2.中國空間技術(shù)研究院，北京100094 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(gòu)成了嚴(yán)重威脅，如密封艙結(jié)構(gòu)、功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、流體回路管路、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱、太陽電池翼等關(guān)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(dǎo)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期 (從20世紀(jì)70年代開始)，一般都將微流星體撞擊作用下密封艙結(jié)構(gòu)非擊穿概率作為考核系統(tǒng)生存力指標(biāo) (例如，微流星體環(huán)境條件下，500次典型任務(wù)內(nèi)，航天飛機(jī)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(biāo)要求，建立了艙體 (防護(hù))結(jié)構(gòu)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(zāi)難性失效風(fēng)險(xiǎn) (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(jié)構(gòu)被擊穿的概率作為航天員的死亡概率，即保守地認(rèn)為載人航天器居住艙段被M/OD擊穿將直接導(dǎo)致航天器損毀以及乘員的死亡，但這種保守的評估方法，導(dǎo)致的一個(gè)直接后果就是使航天器設(shè)計(jì)師們對防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過設(shè)計(jì) (時(shí)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(gè)可相互隔離、獨(dú)立的載人艙段模塊在軌組裝建造而成，每個(gè)艙段由相互獨(dú)立的艙門連接，這將對傳統(tǒng)的獨(dú)立飛行艙段“載人航天器居住艙段一旦被擊穿將直接導(dǎo)致航天器損毀以及乘員的死亡”保守評估形成挑戰(zhàn)，事實(shí)上，密封艙結(jié)構(gòu)被碎片擊穿，并不一定會(huì)導(dǎo)致航天器損毀以及乘員的死亡，還與艙體擊穿效應(yīng)、系統(tǒng)適應(yīng)能力、航天員所處位置、航天員反應(yīng)等因素相關(guān)。

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(zhǔn)確性，1992年，NASA馬歇爾航天飛行中心聯(lián)合丹福爾大學(xué)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(yīng) (包括航天器和航天員)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，表征了一個(gè)更低的航天器損毀以及乘員的死亡概率，允許設(shè)計(jì)師在碎片防護(hù)設(shè)計(jì)上消耗更低的資源代價(jià)來保證航天器及乘員的安全，同時(shí)，可以對航天器內(nèi)部構(gòu)型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化以提高M(jìn)OD撞擊作用下航天器及乘員的安全性，以及對已在軌運(yùn)行的航天器進(jìn)行艙內(nèi)防護(hù)強(qiáng)化設(shè)計(jì) (不需要增加艙外活動(dòng))以增加任務(wù)效能。

文章主要對MSCSurv代碼框架結(jié)構(gòu)、各功能模塊設(shè)計(jì)進(jìn)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(zhǔn)則，以及MSCSurv對指導(dǎo)M/OD環(huán)境下大型載人航天器防護(hù)設(shè)計(jì)、航天員在軌正常及應(yīng)急飛行方案/工作模式設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義。

2 M/OD環(huán)境下 (載人)航天器及航天員失效風(fēng)險(xiǎn)評估

2.1 風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)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(shí)施軌道機(jī)動(dòng)避免撞擊，一旦被其擊中，在無任何防護(hù)措施的情況下，往往會(huì)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(jié)構(gòu)泄漏等災(zāi)難性失效，空間碎片對在軌航天器的典型撞擊模式及效應(yīng)主要包括:改變表面性能導(dǎo)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(yīng)，動(dòng)量傳遞，艙體穿孔、裂紋導(dǎo)致密封艙失壓、容器爆炸破裂或結(jié)構(gòu)碎裂，艙內(nèi)外關(guān)鍵設(shè)備損壞失效等，對于載人航天器，還包括直接擊中航天員導(dǎo)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(yuǎn)，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(yùn)行需求，開展M/OD環(huán)境下航天器風(fēng)險(xiǎn)評估并指導(dǎo)進(jìn)行空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)則顯得尤為重要。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評估常用方法及軟件

M/OD環(huán)境下航天器風(fēng)險(xiǎn)評估是將M/OD作為風(fēng)險(xiǎn)源，在失效準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，對航天器遭受M/OD撞擊所引起的失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評估。由于通常將 “擊穿”作為航天器結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致航天器災(zāi)難性失效，為此，在PNP的基礎(chǔ)上又提出了非災(zāi)難性失效概率 (PNCF，Probability of No Catastrophic Failure)，對M/OD環(huán)境下航天器的災(zāi)難性失效進(jìn)行定量評估，其表達(dá)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(jī)構(gòu)已開發(fā)了多套M/OD環(huán)境下航天器撞擊風(fēng)險(xiǎn)評估軟件/代碼，發(fā)展較為成熟的風(fēng)險(xiǎn)評估軟件如表1所示。

表1 世界各空間機(jī)構(gòu)發(fā)展較成熟的風(fēng)險(xiǎn)評估軟件Tab.1 Mature risk assessment software developed by space agencies

3 MSCSurv軟件架構(gòu)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(xué)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(shè)計(jì)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(guān)鍵系統(tǒng)失效、艙內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備失效、艙內(nèi)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(jì)算分析，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者使用最小代價(jià)保證系統(tǒng)在軌使用要求以及指導(dǎo)航天員在軌正常及故障工作模式設(shè)計(jì)。

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(jié)構(gòu)的撞擊極限方程，計(jì)算每個(gè)碎片的撞擊效應(yīng)，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(shí)計(jì)算失效導(dǎo)致乘員傷亡概率；單個(gè)碎片撞擊事件分析完成后，代碼繼續(xù)分析下一個(gè)碎片撞擊事件；最終，MSCSurv完成單個(gè)分析工況下所有碎片撞擊事件所導(dǎo)致的的各失效模式對應(yīng)乘員傷亡概率相加，得到導(dǎo)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(hù)參數(shù) (所有防護(hù)結(jié)構(gòu)為鋁板，通過設(shè)計(jì)鋁板厚度來調(diào)整參數(shù))；(4)關(guān)鍵設(shè)備臨界參數(shù)；(5)艙體參數(shù) (內(nèi)部設(shè)備布局、結(jié)構(gòu)參數(shù))。另外，通過選項(xiàng)設(shè)定參數(shù)包括: (1)損傷評估模型；(2)擊穿模式下乘員反應(yīng)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(dòng)速度；(6)缺氧失效模式下，艙體壓力極限；(7)允許乘員到達(dá)應(yīng)急航天器的時(shí)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(nèi)部撞擊極限方程，計(jì)算每次撞擊穿孔效應(yīng)，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(yīng)的失效模式，并計(jì)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(dǎo)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(guān)；在代碼設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先確定了具備擊穿艙壁結(jié)構(gòu)的碎片最小尺寸，同時(shí)為了對擊穿粒子/碎片累積總數(shù)量進(jìn)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(yīng)的粒子尺寸作為撞擊碎片的尺寸上限；基于以上假設(shè)，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(shè)定航天器的飛行姿態(tài)，將每個(gè)艙段模型劃分為多個(gè)面積相近的平板單元，單元尺寸不僅要考慮艙體結(jié)構(gòu)及相應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的配置，還需兼顧單元對應(yīng)內(nèi)部設(shè)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(gè)艙段接受到的平均撞擊面積是每個(gè)單元接收到的不同方向上的撞擊面積乘以對應(yīng)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(huì)發(fā)生擊穿，以及計(jì)算每次撞擊穿孔效應(yīng)，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(jì)算等效孔區(qū)域)等穿孔特性以及點(diǎn)對點(diǎn)最大裂紋進(jìn)行計(jì)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(wù)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(zhǔn)則的撞擊事件；

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

因此，分析計(jì)算航天員傷亡概率的關(guān)鍵是建立各失效模式對應(yīng)的臨界失效準(zhǔn)則以及航天器-航天員在軌運(yùn)行參數(shù)模型；根據(jù) “擊穿和損傷模塊”計(jì)算的擊穿效應(yīng)，MSCSurv以串行計(jì)算的形式定量計(jì)算該擊穿事件所屬的失效模式，并分析是否會(huì)導(dǎo)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?cái)U(kuò)展，最終爆炸性失壓解體導(dǎo)致航天器失效及所有航天員傷亡，每次計(jì)算過程中，MSCSurv計(jì)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(huì)導(dǎo)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(jì)算有兩種方法:

(1)Schonberg and Williamsen模型:主要應(yīng)用計(jì)算模型；

(2)Burch D90穿孔直徑模型:只用來計(jì)算第 (1)個(gè)模型不適用的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

4.3.2 姿控失效

定義:從穿孔泄氣是否會(huì)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(zhuǎn)動(dòng)慣量、撞擊位置、穿孔大小以及艙內(nèi)氣體體積)導(dǎo)致航天員無法通過應(yīng)急航天器逃生而傷亡；在MSCSurv程序中，根據(jù)各個(gè)單元/網(wǎng)格距離航天器質(zhì)心距離、氣體泄漏時(shí)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(dòng)，先驗(yàn)計(jì)算出容許該單元/網(wǎng)格處容許的最大穿孔直徑；每次計(jì)算過程中，MSCSurv計(jì)算每個(gè)碎片在對應(yīng)位置處的穿孔直徑，如果超過先驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，則該次擊穿事件導(dǎo)致艙體姿態(tài)失控。

4.3.3 艙內(nèi)關(guān)鍵系統(tǒng)失效

定義:位于撞擊位置背部艙內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備 (壓力瓶、陀螺等高能產(chǎn)品/設(shè)備、電源總線、供電電纜以及導(dǎo)航控制系統(tǒng)等故障嚴(yán)酷度為I類設(shè)備)被碎片撞擊后導(dǎo)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(jì)算艙內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備暴露面積與外部艙體結(jié)構(gòu)撞擊單元/網(wǎng)格面積的比值，對關(guān)鍵設(shè)備的失效引起系統(tǒng) (航天器和航天員)失效進(jìn)行計(jì)算。

4.3.4 艙外關(guān)鍵設(shè)備失效

定義:由于艙外推進(jìn)劑儲(chǔ)箱或其他外部關(guān)鍵設(shè)備被碎片擊中或引起結(jié)構(gòu)斷裂導(dǎo)致航天器功能或系統(tǒng)失效以及航天員傷亡。

首先，是否會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)箱直接爆炸；其次，儲(chǔ)箱或氣瓶是否會(huì)解體 (導(dǎo)致背部的壓力墻擊穿開口或破碎)；最后，是否會(huì)因此因儲(chǔ)箱漏氣推力導(dǎo)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(dāng)碎片擊穿進(jìn)入艙內(nèi)后進(jìn)場設(shè)備以及航天員正好處于被擊穿區(qū)域，導(dǎo)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(nèi)區(qū)域定義為航天員會(huì)被碎片擊中受傷區(qū)域 (與所處方向無關(guān))；一旦撞擊 (擊穿)事件發(fā)生，MSCSurv計(jì)算此時(shí)航天員與穿孔之間的距離，如果正好處于以上區(qū)域內(nèi)，則認(rèn)為航天員被碎片擊中受傷 (導(dǎo)致航天員被擊中受傷的碎片臨界能量遠(yuǎn)低于撞擊碎片能量)。

MSCSurv建立了航天員位置隨時(shí)間變化的模型 (包括每小時(shí)內(nèi)各個(gè)航天員所處的艙段、對應(yīng)概率以及在各個(gè)艙段內(nèi)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(shí)，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(zhuǎn)移受傷者以及關(guān)閉艙門；通過計(jì)算粒子/碎片云能量，分析碎片是否會(huì)導(dǎo)致受傷航天員無法自救或被營救后隨后會(huì)傷亡；軟件使用者可以選擇計(jì)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(jìn)行營救，則MSCSurv會(huì)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(jìn)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(huì)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(yīng) (閃光(眩暈光照)、壓力脈沖 (過壓)和溫度劇升)導(dǎo)致附近航天員傷亡以及艙體結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備和行波管等易損部件引起系統(tǒng)失效最終導(dǎo)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(zhì)量計(jì)算過壓水平，分析對應(yīng)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(diǎn)處的閃光足夠強(qiáng)，導(dǎo)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(gè)標(biāo)準(zhǔn):(1)航天員面對著撞擊點(diǎn)；(2)距離足夠近，閃光會(huì)產(chǎn)生損傷效應(yīng)。

4.3.7 缺氧失效

定義:計(jì)算因穿孔導(dǎo)致空氣泄漏而最終導(dǎo)致艙體緩慢失壓，且在航天員逃生或關(guān)閉失壓艙門前，導(dǎo)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(dǎo)致艙段失壓迅速從而使乘員無法轉(zhuǎn)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(shí)間轉(zhuǎn)移到安全處；另外，MSCSurv還會(huì)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(nèi)的空間壓力降低到航天員逃生或關(guān)閉艙門所需的最低壓力情況下，則由于缺氧導(dǎo)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(gè)艙段分布、乘員睡覺狀態(tài)以及逃生轉(zhuǎn)移速度、艙門開閉狀態(tài)、艙內(nèi)大氣容積比、壓力墻穿孔大小及乘員及航天器應(yīng)急措施等；MSCSurv通過對比航天員可用逃生時(shí)間與壓力下降到航天員缺氧的時(shí)間，評估航天員是否會(huì)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(shè)計(jì)師進(jìn)行靈敏度分析，通過對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立配置，開展各項(xiàng)因素 (參數(shù))對最終傷亡概率的影響分析，以指導(dǎo)防護(hù)和系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，最終達(dá)到降低航天員傷亡風(fēng)險(xiǎn)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(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的穿孔深度方程、給定足夠穿孔深度條件下關(guān)鍵設(shè)備的失效概率、應(yīng)急航天器起飛允許的最大姿態(tài)角速度、內(nèi)部碎片云分布、艙內(nèi)結(jié)構(gòu)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(dòng)到艙門的時(shí)間、關(guān)閉艙門的時(shí)間、航天員逃生前的反應(yīng)時(shí)間、航天員生存大氣臨界壓力、艙內(nèi)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(nèi)結(jié)構(gòu)面密度、艙內(nèi)碎片致死率、臨界失壓壓力、艙門開閉狀態(tài)等5項(xiàng)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(yùn)動(dòng)和緊急修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真；在仿真模型中共包括3種救生預(yù)案，并分別比較各預(yù)案對降低航天員傷亡 (概率)的貢獻(xiàn):

(1)“半站隔離”，航天器內(nèi)失壓報(bào)警后，根據(jù)航天員的傷亡情況以及剩余逃生時(shí)間，決定是否關(guān)閉關(guān)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(nèi)失壓報(bào)警，航天員逃生過程中可同時(shí)檢測確認(rèn)失壓艙段以及穿孔位置，并順手將該艙段的艙門關(guān)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(rèn)并快速關(guān)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(wù)風(fēng)險(xiǎn)評估需求及發(fā)展啟示

我國載人航天工程的三期任務(wù)正在研制的載人空間站系統(tǒng)在軌運(yùn)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(shí)間長、M/OD撞擊的風(fēng)險(xiǎn)大大增加?，F(xiàn)階段，我國M/OD環(huán)境下載人航天器風(fēng)險(xiǎn)評估以 “壓力艙擊穿”為失效準(zhǔn)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(hù)設(shè)計(jì)、艙內(nèi)壓力體制、各艙門開閉狀態(tài)等諸多設(shè)計(jì)因素都會(huì)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(jié)果，以 “壓力艙擊穿”準(zhǔn)則進(jìn)行系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)評估方法太過保守，評估結(jié)果也不夠精準(zhǔn)。因此急需開展M/OD防護(hù)設(shè)計(jì)及撞擊失效 (載人航天器系統(tǒng)失效及航天員傷亡)風(fēng)險(xiǎn)評估研究并盡快服務(wù)于工程應(yīng)用。

MSCSurv代碼開發(fā)以及在航天飛機(jī)、國際空間站項(xiàng)目中的評估應(yīng)用和防護(hù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)等成功應(yīng)用極大地保障了這些大型空間任務(wù)的在軌順利實(shí)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(qiáng)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(wù)規(guī)劃和航天員在軌工作、生活模式設(shè)計(jì)，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(yīng)評估準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

開展易損性評估技術(shù)研究，針對航天器系統(tǒng)典型失效模式，基于仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段，開展M/OD超高聲速撞擊下，壁板結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件、組件的撞擊損傷模型研究，建立失效機(jī)理、臨界失效準(zhǔn)則；

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

基于撞擊損傷模型、失效模式和評估準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)與中國空間技術(shù)研究院現(xiàn)有成熟 “空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)軟件包”(MODAOST，Meteoroid&Orbital Debris Assessment and Optimization System Tools)集成，提升現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評估能力；

(4)開展在我國載人航天器的工程應(yīng)用。

基于我國載人航天器未來長期在軌運(yùn)營任務(wù)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(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)評估，從任務(wù)規(guī)劃層面降低系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)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(dǎo)防護(hù)措施設(shè)計(jì)，提高載人航天工程綜合任務(wù)效能。