空間站任務(wù)航天員在軌艙內(nèi)維修能力分析及訓(xùn)練設(shè)計(jì)

趙 靜，黃偉芬，田立平，張貴平，王焰磊，馬 廣，田 勇

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094)

1 引言

維修活動(dòng)是指維持或修復(fù)一個(gè)零件或設(shè)備以達(dá)到特定條件所需要的所有行為[1]。 載人航天器在軌維修是指通過航天員在軌對(duì)載人航天器進(jìn)行維修，達(dá)到載人航天器系統(tǒng)在壽命、可用度等方面的指標(biāo)要求[2]。 從國(guó)外建造空間站的歷史經(jīng)驗(yàn)看，在軌維修是保證航天員在軌安全、空間站正?？煽窟\(yùn)行、優(yōu)化空間站設(shè)計(jì)、降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和延長(zhǎng)空間站壽命的一種有效手段[3]。

俄羅斯禮炮6 號(hào)、7 號(hào)空間站上發(fā)生故障的主要集中在電源分系統(tǒng)、環(huán)控生保分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)和推進(jìn)分系統(tǒng)。 發(fā)生的故障產(chǎn)品包括:太陽帆板、蓄電池、儲(chǔ)箱、過濾器、加熱器、密封圈、艙體、管路和對(duì)接機(jī)構(gòu)等[4]。

和平號(hào)空間站航天員參與進(jìn)行的艙外維修作業(yè)主要包括:交會(huì)對(duì)接故障、電力系統(tǒng)故障、艙門密封故障以及其他外部組件與設(shè)備故障。 艙內(nèi)維修操作主要包括環(huán)控生保系統(tǒng)故障與維修(包括供氧系統(tǒng)故障、冷卻液泄漏、二氧化碳去除等)、供電系統(tǒng)故障與維修、密封性問題與維修、意外相撞事故與應(yīng)急處理、計(jì)算機(jī)故障和維修等[5]。

國(guó)際空間站在軌組裝的6 年間(截至到2006年)，在軌運(yùn)行2772 天，有人駐留2058 天，平均每年維修800 h，航天員工作1.9 h/天[4]。 其中美國(guó)艙和俄羅斯艙采用不同的維修方法。 俄羅斯艙以預(yù)防性維修為主，不能極大化發(fā)揮產(chǎn)品壽命能力，導(dǎo)致航天員勞動(dòng)強(qiáng)度大；美國(guó)艙采用以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance，RCM)方法，通過引進(jìn)基于條件的維修理論，補(bǔ)充了單一基于時(shí)間維修的方式，從而大大延長(zhǎng)了部分設(shè)備的壽命和維修間隔[6]。 以俄羅斯艙為例，2001 年～2006 年所發(fā)生的故障中，試驗(yàn)及有效載荷研究設(shè)備故障占總故障的34%，空間站保障系統(tǒng)故障占26%，軟件故障占7%，乘員和地面人員維護(hù)操作失誤占33%[7]。 國(guó)際空間站出艙維修主要包括意外事件導(dǎo)致的維修(例如對(duì)接裝置O型橡膠圈阻塞物、有軌滑車與天線纏繞等)、外部設(shè)備或組件故障、電力系統(tǒng)故障、太空碎片碰撞、隔熱瓦維修等。 艙內(nèi)維修主要包括環(huán)控生保系統(tǒng)故障維修(含水循環(huán)系統(tǒng)堵塞、大小便收集系統(tǒng)故障、制氧系統(tǒng)故障維修)、醫(yī)療設(shè)備故障維修、計(jì)算機(jī)維修、電力系統(tǒng)故障、艙內(nèi)照明維修、人為失誤導(dǎo)致的故障維修等。

從國(guó)外空間站航天員在軌維修事例和經(jīng)驗(yàn)來看，在軌維修對(duì)象種類多、范圍廣，多數(shù)維修產(chǎn)品關(guān)鍵度高，其中艙門密封、環(huán)控系統(tǒng)、電力系統(tǒng)發(fā)生故障的概率大，在軌維修頻次高，并且維修時(shí)不僅僅是簡(jiǎn)單地更換備件，涉及與可更換單元(Orbital Replaceable Units，ORU)相關(guān)的上下游管路、閥門、控制、信息等系統(tǒng)知識(shí)、邏輯判斷及狀態(tài)設(shè)置等，以上要求航天員能力全面、綜合能力強(qiáng)且具備較強(qiáng)的情景意識(shí)。

為滿足中國(guó)空間站長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)要求，空間站系統(tǒng)總體及各分系統(tǒng)均進(jìn)行了維修性設(shè)計(jì)，在軌維修也將成為航天員的主要任務(wù)之一。

2 中國(guó)空間站在軌維修策略

中國(guó)空間站為滿足長(zhǎng)壽命要求，系統(tǒng)總體進(jìn)行了專項(xiàng)維修設(shè)計(jì)，維修策略為:對(duì)于可在軌預(yù)測(cè)產(chǎn)品情況的采用預(yù)防性維修；對(duì)于在軌故障難以預(yù)測(cè)的突發(fā)故障采用修復(fù)性維修。 預(yù)防性維修主要包括耗損性產(chǎn)品、消耗性產(chǎn)品和需定期標(biāo)定的產(chǎn)品等。 修復(fù)性維修主要為無耗損特性設(shè)備維修，多為電子產(chǎn)品，其故障現(xiàn)象可能隨機(jī)發(fā)生。 為提高航天員在軌時(shí)間的利用率，減少在軌維修操作復(fù)雜性，中國(guó)空間站在軌維修采用更換ORU 為主、ORU 內(nèi)部維修為輔的方式。 根據(jù)維修設(shè)計(jì)，在軌維修可分為4 級(jí):①Ⅰ級(jí)在軌維修:以維護(hù)為主，指使用一些簡(jiǎn)單的診斷工具和手用工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行日常的維護(hù)，包括目視檢查、擦拭清潔、設(shè)備調(diào)整、潤(rùn)滑、添加消耗性物品等；②Ⅱ級(jí)在軌維修:以更換ORU 為主，在軌維修主要任務(wù)是將故障檢測(cè)、定位到ORU，并進(jìn)行更換；③Ⅲ級(jí)在軌修復(fù):在備件不能及時(shí)供應(yīng)的情況下，對(duì)部分ORU進(jìn)行深一層次在軌修復(fù)，對(duì)艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊急堵漏等修復(fù)性維修操作也屬于Ⅲ級(jí)在軌修復(fù)；④Ⅳ級(jí)維修:在軌無法診斷故障，并且設(shè)備故障可能會(huì)造成批次性影響，考慮由載人飛船帶回地面進(jìn)行分析研究，并修復(fù)故障，作為地面儲(chǔ)備備件[8]。為了有利于維修實(shí)施，維修設(shè)計(jì)對(duì)ORU 機(jī)電氣液接口等進(jìn)行了統(tǒng)一和規(guī)范性要求，并配備了一套通用工具。

3 航天員維修能力定義與分析

3.1 航天員維修能力定義

從心理學(xué)視角認(rèn)為能力有3 種分類:能力是一種潛能；能力是對(duì)知識(shí)技能的動(dòng)態(tài)掌握；能力是一種個(gè)性心理特征[9]。 普通教育學(xué)認(rèn)為能力是認(rèn)知能力和智力[10]。 職業(yè)教育認(rèn)為能力是與特定情境有關(guān)的職業(yè)能力[11-12]。 綜合各種能力概念解釋，本文定義航天員維修能力指能夠在軌完成飛行器維修活動(dòng)的特定情境有關(guān)的職業(yè)能力，包括與維修過程相關(guān)的注意力、觀察力、記憶力、思維力、操作能力、溝通能力。 它一方面與具體的操作能力相關(guān)，另一方面要求有較強(qiáng)的情境意識(shí)，能利用所學(xué)的空間站專業(yè)技術(shù)知識(shí)來分析、判斷維修操作步驟的內(nèi)在原理及維修結(jié)果。 航天員在軌維修具體的能力要素構(gòu)成見表1。

3.2 維修元能力分析

在綜合職業(yè)能力概念中，元能力是聯(lián)系其他能力的橋梁，處于中心地位，它對(duì)整個(gè)能力的高低起著決定性作用[13]。 分析航天員在軌維修能力要素構(gòu)成，注意力、觀察力、記憶力、想象力、思維力等智力因素以及溝通能力在其他訓(xùn)練科目及任務(wù)需求中都有涉及，并且航天員都是經(jīng)過層層選拔，具備優(yōu)秀的基礎(chǔ)能力。 而與執(zhí)行具體維修活動(dòng)密切相關(guān)的是最終完成維修任務(wù)的關(guān)鍵能力，這應(yīng)為航天員在軌維修能力的核心元能力。

對(duì)空間站各分系統(tǒng)不同種類ORU 維修步驟進(jìn)行歸納總結(jié)，提煉出通用的、關(guān)重的作業(yè)為維修核心任務(wù)。 根據(jù)空間站ORU 維修手冊(cè)，航天員在軌完成一項(xiàng)維修工作，主要步驟包括:維修定位與診斷，維修操作臺(tái)固定安裝，取備件檢查狀態(tài)，供電或信息隔離確認(rèn)，內(nèi)飾板拆卸，佩戴防靜電手環(huán)，拆卸ORU，安裝備件，加電、確認(rèn)狀態(tài)，內(nèi)飾板安裝，存放故障產(chǎn)品，恢復(fù)艙內(nèi)狀態(tài)等。 對(duì)操作步驟分解和分析，提煉出維修核心任務(wù)為維修定位與診斷的認(rèn)知活動(dòng)、維修工具使用、ORU 拆卸和安裝、內(nèi)部板卡級(jí)維修的維修通用操作，相應(yīng)地完成核心任務(wù)的關(guān)鍵能力為維修元能力。 維修定位與診斷是指能夠準(zhǔn)確定位待維修產(chǎn)品；分析判斷維修影響域、維修操作關(guān)鍵點(diǎn)和危險(xiǎn)點(diǎn)。 維修通用操作能力包括熟練使用維修工具、ORU 拆卸安裝、ORU 內(nèi)部板卡級(jí)維修能力。 采用具體任務(wù)分析法，根據(jù)空間站維修設(shè)計(jì)，結(jié)合以往訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，分析維修核心任務(wù)對(duì)維修元能力具體要求，結(jié)果見表2。

航天員訓(xùn)練時(shí)間有限，地面訓(xùn)練時(shí)不可能也沒必要對(duì)空間站上千個(gè)ORU 一一訓(xùn)練。 同時(shí)考慮到訓(xùn)練模擬器配置的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，模擬器也無法配置所有ORU 供航天員訓(xùn)練。 提取的維修核心元能力涵蓋了所有維修核心任務(wù)的能力要求，覆蓋了維修設(shè)計(jì)中涉及到需要航天員操作所有機(jī)電氣液接口及工具使用，可以為訓(xùn)練設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，以破解在有限的時(shí)間和保障條件情況下，訓(xùn)練航天員具備在軌完成好各項(xiàng)維修的能力這一技術(shù)和實(shí)施難題。

表1 航天員在軌維修能力要素構(gòu)成Table 1 0 n orbit maintenance capability elements of astronauts

表2 空間站維修核心任務(wù)分析及元能力要求Table 2 Core task analysis and meta capability requirements for space station maintenance

3.3 維修綜合能力分析

在具備各能力要素和元能力的基礎(chǔ)上，按照綜合職業(yè)能力觀，還需要具備一定的工作情景意識(shí)、對(duì)工作情景的理解力，來支撐在飛行器具體環(huán)境中完成維修任務(wù)。 對(duì)維修能力各要素的整合加上情景意識(shí)、在軌維修過程特殊習(xí)慣養(yǎng)成(例如工具防飄、ORU 固定、多余物收集等)是在軌維修應(yīng)具備的綜合能力。

4 航天員維修能力生成途徑分析

能力形成過程本身分為3 個(gè)階段:基礎(chǔ)知識(shí)的建立階段，知識(shí)關(guān)聯(lián)階段和自治階段。 在自治階段，知識(shí)更具有邏輯性，可以激活知識(shí)基礎(chǔ)單元[11]。 映射到航天員維修能力訓(xùn)練，需要進(jìn)行維修設(shè)計(jì)、維修通用知識(shí)、基本技巧介紹等與維修相關(guān)的概括和功能知識(shí)培訓(xùn)，以及空間站各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理學(xué)習(xí)，并通過維修實(shí)踐和知識(shí)關(guān)聯(lián)，達(dá)到自治階段，以使航天員具備維修定位與診斷能力。

通用維修操作能力具體體現(xiàn)為操作技能。 操作技能形成包括操作定向、操作模仿、操作整合、操作熟練4 個(gè)階段。 在操作熟練階段，操作表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性、精確性、靈活性，無多余動(dòng)作，視覺范圍和注意范圍變廣。 大量實(shí)踐表明，完成操作的4 個(gè)階段，最終達(dá)到操作熟練程度，最有效的方式就是練習(xí)。 映射到維修訓(xùn)練，需要設(shè)立維修操作技能訓(xùn)練課程，在維修訓(xùn)練臺(tái)上使用統(tǒng)一配套維修工具及組合方式進(jìn)行ORU 機(jī)電氣液等相關(guān)接口操作、在模擬器內(nèi)進(jìn)行各類維修流程訓(xùn)練，使航天員熟練掌握維修操作技能。

按照職業(yè)能力形成的情景觀，人的職業(yè)能力只能在真實(shí)的職業(yè)情景中通過實(shí)踐獲得。 情景學(xué)習(xí)與情景認(rèn)知是建立在真實(shí)、有效的情景之上的，應(yīng)創(chuàng)建基于工作的、模仿從業(yè)者真實(shí)活動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，以保證知識(shí)向真實(shí)情景的遷移[11，14]。 基于這些理論，維修訓(xùn)練應(yīng)安排在空間站真實(shí)艙內(nèi)相似環(huán)境中才有效果，這些環(huán)境因素包括周圍限位環(huán)境、光照環(huán)境、狹小空間操作環(huán)境等。 分析選取典型、關(guān)重的ORU 在模擬器內(nèi)進(jìn)行全流程訓(xùn)練，并根據(jù)技能遷移理論分析其他相似ORU 操作流程是否能夠覆蓋。 需要說明的是技能遷移包括正向遷移和負(fù)向遷移，其中操作對(duì)象和操作環(huán)境相似度越高，越有利于正向遷移，強(qiáng)化訓(xùn)練效果，反之則會(huì)導(dǎo)致負(fù)向遷移、影響訓(xùn)練效果。 這就要求無論是進(jìn)行模擬器研制、還是典型ORU 選取，都應(yīng)充分考慮模擬環(huán)境的真實(shí)性和相似性。

根據(jù)以上分析以及以往歷次型號(hào)任務(wù)航天員訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，航天員維修能力生成途徑應(yīng)包括維修相關(guān)的定向和概括知識(shí)學(xué)習(xí)、維修通用操作能力訓(xùn)練、在飛行器逼真模擬器或真實(shí)飛行器內(nèi)的典型ORU 維修流程訓(xùn)練。 另外維修情景意識(shí)、維修操作習(xí)慣也需要在模擬器或真實(shí)飛行器內(nèi)進(jìn)行一定量的訓(xùn)練才能建立和養(yǎng)成。

5 航天員維修訓(xùn)練設(shè)計(jì)

維修訓(xùn)練設(shè)計(jì)緊緊圍繞使航天員具備執(zhí)行空間站維修任務(wù)的能力這一訓(xùn)練目標(biāo)，結(jié)合空間站維修設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)、航天員維修能力要素構(gòu)成、元能力和綜合能力及生成途徑分析、航天員訓(xùn)練要求以及以往訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)進(jìn)行訓(xùn)練原則確定、訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)、訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)，構(gòu)成維修專項(xiàng)航天員訓(xùn)練體系，如圖1 所示。 依據(jù)訓(xùn)練原則，按照一定訓(xùn)練方法實(shí)施訓(xùn)練課程，最終達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)。 依據(jù)該訓(xùn)練設(shè)計(jì)，對(duì)航天員參加工效學(xué)評(píng)價(jià)和人-站聯(lián)試實(shí)施了部分維修項(xiàng)目培訓(xùn)，培訓(xùn)達(dá)到了良好效果。

圖1 空間站任務(wù)航天員維修專項(xiàng)訓(xùn)練體系Fig.1 Astronaut maintenance specific training system for space station mission

5.1 訓(xùn)練原則

航天員訓(xùn)練須滿足一致性、覆蓋性和有效性要求，才能確保航天員在軌操作準(zhǔn)確無誤、順利完成飛行任務(wù)。 航天員維修專項(xiàng)訓(xùn)練應(yīng)遵循以下原則:

1)元能力訓(xùn)練覆蓋性原則:①維修定位與診斷能力包括使航天員掌握維修專項(xiàng)知識(shí)設(shè)計(jì)、維修涉及的機(jī)電氣液基礎(chǔ)知識(shí)、空間站設(shè)計(jì)原理等；②艙內(nèi)通用工具操作訓(xùn)練覆蓋性包括通過訓(xùn)練能夠熟練掌握艙內(nèi)通用工具使用方法、各種工具靈活組合使用等；③維修操作接口操作訓(xùn)練覆蓋性包括覆蓋所有在軌維修涉及到的機(jī)電氣液接口、熱接口等各種接口拆卸、安裝、插拔、斷接等操作；④整機(jī)更換ORU 類型覆蓋性包括受訓(xùn)練時(shí)間和資源限制，不可能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)所有ORU 進(jìn)行全流程訓(xùn)練，因此按照操作界面、ORU 屬性、操作流程等梳理在軌維修ORU 類型，每種類型至少覆蓋一個(gè)維修全流程訓(xùn)練；⑤板卡級(jí)維修類型覆蓋性包括訓(xùn)練要覆蓋到空間站任務(wù)所有類型的板卡級(jí)維修操作。

2)關(guān)重性原則:對(duì)于在軌有備件、在軌發(fā)生故障需要緊急維修、維修時(shí)間有嚴(yán)格要求的關(guān)重產(chǎn)品，訓(xùn)練做到產(chǎn)品和全流程覆蓋。

3)針對(duì)性原則:對(duì)于在軌沒有備件的產(chǎn)品發(fā)生故障、并確定由下一個(gè)乘組進(jìn)行維修的產(chǎn)品，則針對(duì)該乘組進(jìn)行該項(xiàng)維修全流程訓(xùn)練。

5.2 訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)

根據(jù)航天員維修能力構(gòu)成要素及生成途徑剖析，結(jié)合航天員訓(xùn)練要求，空間站任務(wù)維修專項(xiàng)航天員訓(xùn)練應(yīng)包括3 個(gè)訓(xùn)練科目，包括維修定向知識(shí)理論培訓(xùn)、維修通用操作能力訓(xùn)練、維修全流程訓(xùn)練，其具體訓(xùn)練內(nèi)容見表3。

表3 空間站任務(wù)航天員維修專項(xiàng)訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)Table 3 Design of astronaut maintenance specific training course for space station mission

5.3 訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)

維修定向知識(shí)學(xué)習(xí)以設(shè)計(jì)師、艙內(nèi)工程師講解和多媒體演示為主，讓航天員理解和掌握；維修通用操作能力訓(xùn)練以在維修操作訓(xùn)練臺(tái)上實(shí)施為主，包括教員講解、示范操作、航天員練習(xí)，并靈活安排自主練習(xí)，達(dá)到熟能生巧；維修全流程訓(xùn)練主要在模擬器或艙內(nèi)真實(shí)環(huán)境實(shí)施，按照維修流程和步驟真實(shí)操作，在過程中形成全流程操作概念并養(yǎng)成良好操作習(xí)慣。 在訓(xùn)練過程中，注重訓(xùn)練評(píng)價(jià)及訓(xùn)練結(jié)果反饋，研究細(xì)化訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括操作的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、靈活性、注意的廣度、維修流程的前后銜接、維修習(xí)慣是否良好等。根據(jù)個(gè)體和乘組訓(xùn)練反饋結(jié)果，及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練重點(diǎn)和具體訓(xùn)練方法，加強(qiáng)訓(xùn)練針對(duì)性。

6 小結(jié)

1)中國(guó)空間站任務(wù)航天員在軌維修能力要素構(gòu)成包括智力因素、操作技能、溝通能力，其中維修定位與診斷、通用維修操作能力為維修元能力。

2)維修能力生成途徑包括維修相關(guān)的定向和概括知識(shí)學(xué)習(xí)、維修通用操作能力訓(xùn)練、在飛行器逼真模擬器或真實(shí)飛行器內(nèi)的維修流程訓(xùn)練，以及維修情景意識(shí)以及維修操作習(xí)慣的培養(yǎng)。

3)空間站任務(wù)維修專項(xiàng)航天員訓(xùn)練設(shè)計(jì)包括訓(xùn)練原則、訓(xùn)練課程和訓(xùn)練方法。 訓(xùn)練內(nèi)容涵蓋了維修能力要素構(gòu)成，訓(xùn)練方法上涵蓋了維修能力生成途徑，訓(xùn)練設(shè)計(jì)的有效性得到初步驗(yàn)證。