載人航天器安全性、可靠性、維修性技術(shù)實踐及發(fā)展展望

夏僑麗 侯永青 李偉

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

1992年9月21日，中國載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略獲得正式批準。2003年10月16日，楊利偉乘神舟五號安全返回，標志著我國已經(jīng)獨立掌握了載人航天技術(shù)；2016年6月—2017年4月，成功實施了空間實驗室階段4次飛行任務(wù)，天宮一號先后成功與神舟八號、神舟九號、神舟十號載人飛船完成交會對接，標志著我國已經(jīng)突破空間交會對接技術(shù)；2021年4月29日，天和核心艙發(fā)射成功，標志我國已全面轉(zhuǎn)入空間站在軌建造階段。

安全可靠是載人航天工程的首要目標，所有“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)，都貫穿了安全性、可靠性和維修性設(shè)計理念。14次載人飛船成功發(fā)射并安全返回；天宮一號在軌正常運行超過4.5年，完成多次交會對接任務(wù)并實現(xiàn)航天員中期駐留；天宮二號在軌運行接近3年，并完成組合體控制、在軌推進劑補加技術(shù)和在軌維修技術(shù)驗證，為建造空間站奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)；截至2022年12月，天和核心艙在軌運行超過1.5年，問天實驗艙和夢天實驗艙已成功與核心艙交會對接并完成了轉(zhuǎn)位，空間站三艙組合體已經(jīng)建造完成，正式進入長期運營階段。載人航天工程通過系統(tǒng)的安全性、可靠性、維修性工作，實現(xiàn)了航天器長期在軌穩(wěn)定運行，保證了航天員安全，并成功實施各項任務(wù)。同時，針對載人飛船、空間實驗室、空間站的不同任務(wù)特點，為滿足長壽命高可靠的目標，也牽引了載人航天器的安全性、可靠性和維修性設(shè)計、驗證與評估技術(shù)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

本文總結(jié)了安全性可靠性和維修性技術(shù)在神舟飛船、空間實驗室和空間站項目中的工程實踐以及取得的突破，展望了后續(xù)研究方向。

1 載人航天器安全性、可靠性、維修性特點

1)載人安全性要求高

確保航天員的生命安全，是載人航天的首要任務(wù)。載人飛船上升段的力學(xué)環(huán)境、航天員在軌駐留期間可能面臨的失火、失壓、有毒有害氣體、高壓電均是威脅航天員安全的危險源，空間站任務(wù)過程中，航天員頻繁出艙活動面臨的空間輻照、艙體表面電位、艙外活動風(fēng)險以及載荷照料過程中可能存在的高熱、微生物、有毒有害氣體等也是影響航天員安全的重要因素；此外，航天器長期運行過程中可能發(fā)生平臺設(shè)備故障，也會間接影響航天員生命安全。載人航天器存在的危險源多，航天員在軌駐留時間的延長以及復(fù)雜的航天器任務(wù)可能引入新的危險源，全面且準確識別載人航天器的一般危險源和故障危險源，有效的結(jié)合產(chǎn)品本質(zhì)安全性設(shè)計和在軌處置等措施消除危險源、控制危險后果，并對安全性進行合理的驗證與評估，是載人航天器安全性工作的重點。

2)在軌運行壽命長

從載人飛船在軌飛行7天，到空間實驗室設(shè)計壽命2年，再到空間站建造完成后至少運行10年，載人航天器的運行壽命要求不斷提高。載人航天器運行的低軌空間環(huán)境，具有等離子體稠密、溫度交變頻繁、原子氧密集的特點，影響包括艙體結(jié)構(gòu)、艙外太陽翼電池片等產(chǎn)品的使用壽命；而航天器產(chǎn)品在長期飛行過程中持續(xù)工作，也會逐漸消耗自身壽命。如何實現(xiàn)載人航天器長壽命穩(wěn)定運行，給產(chǎn)品和系統(tǒng)壽命設(shè)計均提出了更大的挑戰(zhàn)，需要在提高設(shè)備自身固有壽命的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)資源余量配備、使用模式設(shè)計以及在軌維修處置等手段，共同實現(xiàn)航天器的高任務(wù)壽命要求。

3)任務(wù)要求復(fù)雜，分階段逐步遞進實施

隨著載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的實施，載人航天器在軌運行壽命不斷延長，相應(yīng)的任務(wù)要求不斷提高。載人飛船階段實現(xiàn)了安全載人發(fā)射并返回的任務(wù)，空間實驗室階段完成了空間交會對接和支持航天員中期駐留任務(wù)，而空間站階段的任務(wù)則更加復(fù)雜。

我國空間站采用在軌分階段組裝建造方案，經(jīng)歷核心艙單獨飛行、來訪飛行器交會對接與停泊、實驗艙對接與轉(zhuǎn)位的復(fù)雜組裝建造過程，具備50余種復(fù)雜構(gòu)型變化與控制能力，需開展包括推進劑補加、航天員出艙活動、機械臂艙外巡檢、開展低軌微重力條件下的科學(xué)實驗等多種任務(wù)。按照空間站工程任務(wù)規(guī)劃，在維持平臺運行良好的基礎(chǔ)上，支持航天員長期不間斷駐留，并且年均完成各項復(fù)雜專項任務(wù)不少于15次。

載人航天器具有任務(wù)需求愈加復(fù)雜，且因階段變化的特點，增加了安全性、可靠性、維修性設(shè)計、驗證與評估工作的難度，如何構(gòu)建一個覆蓋地面研制和在軌飛行階段的驗證和評估體系，有效支撐載人航天器產(chǎn)品可靠性持續(xù)增長、支持發(fā)射決策和在軌運行風(fēng)險評估，是必須要解決的一個難題。

4)在軌可維修

載人飛船階段和空間實驗室階段主要通過設(shè)備自身的高可靠性設(shè)計來確保航天器在軌不出故障，航天器的運行壽命也由設(shè)備自身固有壽命決定。與之不同的是，空間站具有支持航天員長期駐留的能力，航天員可以對航天器平臺進行照料，為在軌維修提供了必要條件。“國際空間站”通過大量的維護維修工作，對運行過程中的重大故障進行了修復(fù)，并先后進行了兩次系統(tǒng)延壽，到目前為止已在軌運行超過20年。在軌維修是延長空間站運行壽命，并維持任務(wù)可靠性的有效手段。

2 載人航天器安全性、可靠性、維修性技術(shù)實踐

載人航天器安全性、可靠性和長壽命要求高，在軌維修風(fēng)險大，保障支援困難的特點，決定了必須以安全性、可靠性為中心，開展安全性、可靠性、維修性一體化設(shè)計、驗證與評估工作。伴隨著載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的實施，安全性、可靠性、維修性技術(shù)得到了創(chuàng)新實踐和持續(xù)發(fā)展，載人飛船和空間實驗室實現(xiàn)了“一重故障工作、二重故障安全”，空間站在此基礎(chǔ)上進行了進一步的擴展，實現(xiàn)了“一重故障工作，二重故障不影響航天員駐留，三重故障仍安全”，確保在航天員安全之外，還具備連續(xù)支持航天員駐留和空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗的能力。

2.1 載人飛船階段

神舟飛船的主要任務(wù)是將航天員安全地送達太空并安全返回，圍繞保航天員安全這一目標，在載人飛船階段系統(tǒng)開展了危險原識別與危險分析、系統(tǒng)級可靠性安全性設(shè)計、電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計，實現(xiàn)了飛行器系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計可靠性提升；在此基礎(chǔ)上，開展了產(chǎn)品關(guān)鍵重要特性識別與量化控制，進一步保證產(chǎn)品實現(xiàn)過程的可靠性；建立了一套基于貝葉斯方法的系統(tǒng)可靠性、安全性評估方法，實現(xiàn)了安全性、可靠性指標的量化評估。

1)危險源識別與危險分析

根據(jù)航天器任務(wù)剖面，從航天員所處環(huán)境、參與操作、次生影響等方面建立了危險源索引，包括失壓、失火、高溫、高電壓、有害氣體等一般危險源，支持全面識別危險源。開展了危險分析工作，確定了以消除危險為基礎(chǔ)，輔助告警、自動處置、控制影響域等手段為補充的安全性設(shè)計原則，控制危險后果。此外，在危險源識別中引入故障危險源這一因素，結(jié)合故障模式影響分析(FMEA)識別故障后果嚴酷度高的產(chǎn)品，通過采取可靠性設(shè)計措施提高產(chǎn)品和功能的任務(wù)可靠性，從而保證飛船的安全性。

2)系統(tǒng)專項安全性、可靠性分析與設(shè)計

針對神舟飛船的任務(wù)需求開展了任務(wù)功能分解，對影響平臺基本運行的結(jié)構(gòu)承載與密封功能、供配電功能、姿態(tài)軌道控制功能、設(shè)備熱管理功能、信息管理功能，以及影響航天員安全的載人環(huán)境控制功能、著陸返回功能，和出艙活動、交會對接具體任務(wù)相關(guān)功能，著重開展可靠性、安全性分析與設(shè)計工作。

通過硬件FMEA方法從下至上遍歷所有航天器產(chǎn)品的故障模式，識別可能造成航天員傷亡或航天器損毀的I類故障，以及造成航天員應(yīng)急撤離或主要任務(wù)無法完成的II類故障；在此基礎(chǔ)上以I、II類航天器級故障模式為頂事件，采用從上之下演繹的方法進行故障樹分析(FTA)，進一步識別可能導(dǎo)致不期望事件發(fā)生的重要程度高的設(shè)備故障。結(jié)合FMEA和FTA，識別航天器可靠性薄弱環(huán)節(jié)，為針對性采取可靠性設(shè)計措施提供依據(jù)。

采用冗余設(shè)計、裕度設(shè)計、余量設(shè)計等措施，提高航天器系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，開展飛行程序設(shè)計和在軌故障模式與對策設(shè)計，確保飛行過程中產(chǎn)品工作時序正確，應(yīng)對故障的措施有效。

3)電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計

針對電子產(chǎn)品的可靠性影響因素，開展了包括熱設(shè)計、降額設(shè)計、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計、抗輻射設(shè)計、電磁兼容設(shè)計和靜電放電防護設(shè)計6要素設(shè)計，并全面進行了元器件篩選和控制，提高電子產(chǎn)品固有可靠性，減少在軌隨機故障的發(fā)生。

4)關(guān)鍵項目過程控制

基于可靠性、安全性分析，識別航天器關(guān)鍵項目和關(guān)鍵產(chǎn)品，作為產(chǎn)品研制過程中的重點，在管理上對關(guān)鍵項目的設(shè)計與驗證方案、驗證結(jié)果、產(chǎn)品驗收等環(huán)節(jié)加嚴控制，技術(shù)上針對關(guān)鍵產(chǎn)品開展關(guān)重特性分析，針對性制定量化控制措施，并且在產(chǎn)品研制過程中有效落實。通過關(guān)鍵項目過程控制，進一步使設(shè)計可靠性有效落實到設(shè)備中。

5)可靠性驗證與評估

為解決航天器產(chǎn)品小子樣的問題，應(yīng)用了貝葉斯評估方法進行任務(wù)可靠性評估。圍繞評估目標，系統(tǒng)分析各類產(chǎn)品的可靠性評估模型、可靠用評估用數(shù)據(jù)源，有針對性策劃可靠性定量驗證試驗。在使用貝葉斯法方法時，從元器件的在軌飛行失效率驗前信息出發(fā)，將失效率預(yù)計值轉(zhuǎn)換為置信上限，都折合為指數(shù)分布，作為驗前信息進行評估，聯(lián)合單機、分系統(tǒng)和航天器各級的現(xiàn)場試驗信息，評估航天器可能達到的可靠度。

6)安全性評估

載人飛船以航天員在軌安全性為目標，采用俄羅斯在聯(lián)盟-TM飛船上所使用的條件概率公式，在可靠性評估的基礎(chǔ)上進行安全性定量評估。計算各任務(wù)階段飛船主要功能及保障航天員安全的應(yīng)急措施的安全概率，對飛船全任務(wù)過程的安全性得出定量評估結(jié)果。航天員在艙內(nèi)安全概率的設(shè)計評估取決于設(shè)備故障。當載人飛船可靠運行時，認為滿足航天員安全性要求。載人飛船發(fā)生非平臺關(guān)鍵分系統(tǒng)故障時，不采用應(yīng)急返回，認為此時飛船滿足航天員安全性要求；平臺關(guān)鍵分系統(tǒng)故障時，采用載人飛船應(yīng)急返回功能作為救生手段。載人飛船的安全性定量評估方法已成功應(yīng)用至其他載人航天器。

2.2 空間實驗室階段

在載人飛船階段可靠性、安全性工作的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新開展了飛行事件保障鏈分析工作，采用靜態(tài)FMEA、FTA結(jié)合動態(tài)時序分析的方法全面識別任務(wù)風(fēng)險，并進行了自主安全模式設(shè)計，保障了空間實驗室無人值守期間的安全性；此外，針對空間實驗室接受載人船對接并停泊的特點，開展了多飛行器組合體管理設(shè)計，實現(xiàn)了艙段間功能融合使用，應(yīng)急狀態(tài)下可以接管控制。同時，成功對部分軟件和設(shè)備實施了在軌維護，進一步提高了安全性[1-2]，也為后續(xù)空間站全面實施在軌維修進行了技術(shù)驗證。

空間實驗室階段主要開展的安全性、可靠性維修性工作包括以下內(nèi)容。

1)飛行事件保障鏈分析

以飛行事件鏈為線索，遞進剖析單步飛行時序動作，識別從指令發(fā)出、到響應(yīng)執(zhí)行至效果反饋，全控制鏈條上可能導(dǎo)致安全風(fēng)險的關(guān)鍵事件和薄弱環(huán)節(jié)。通過飛行事件保障鏈分析，從動態(tài)分析的維度，補充了I期利用FMEA、FTA、危險源分析進行靜態(tài)分析的不足，從而更全面的識別航天器的安全性、可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

2)自主安全模式設(shè)計

開展了在軌故障自主控制設(shè)計，通過在軌狀態(tài)監(jiān)測和自主健康管理，和安全模式設(shè)計，解決了空間實驗室無人值守期間的安全性問題。采用概率風(fēng)險評估結(jié)合FMEA的方法，分析風(fēng)險傳播路徑，對風(fēng)險傳播路徑中關(guān)鍵事件狀態(tài)的多點監(jiān)測，對在軌運行狀態(tài)或潛在風(fēng)險事件實時診斷，通過信息融合，實現(xiàn)風(fēng)險事件診斷后自主進入安全模式，為飛行器在軌運行安全，又增加一道危險防控措施。

3)組合體管理設(shè)計

發(fā)揮載人飛船停泊空間實驗室過程中，多艙段組合的特點，開展了組合體管理設(shè)計。實現(xiàn)在空間實驗室的危險防控措施無效的情況下，出現(xiàn)威脅平臺安全的故障時，隔離并切除故障設(shè)備，通過信息系統(tǒng)調(diào)配其他艙段的同等功能設(shè)備，接替工作，進一步消除運行過程中的危險。

4)在軌維修技術(shù)驗證

開展了對載人航天器維修性設(shè)計體系的研究，基本明確了載人航天器維修性設(shè)計體系由維修性設(shè)計、維修性驗證、維修性評價和維修性管理構(gòu)成；并提出了維修性設(shè)計的具體內(nèi)容包括確定維修原則、分析維修需求、規(guī)劃維修任務(wù)、設(shè)計維修模式；探討了維修驗證的途徑為綜合采用仿真驗證、實物試驗驗證和在軌飛行驗證方法；從飛行工程師評價和航天員評價兩方面對維修性評價進行了細分[3]。初步構(gòu)建了載人航天器維修性設(shè)計體系。

結(jié)合航天員在空間實驗室駐留期間，需要對環(huán)控生保連接軟管、凈化器、水箱等設(shè)備進行維護和操作的任務(wù)要求，設(shè)計了在軌操作管路系統(tǒng)、機械與電氣接口、操作人機工效以及軟件在軌更改升級的驗證項目，為空間站全面實施可維修性設(shè)計奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 空間站階段

為了實現(xiàn)空間站10年壽命，并持續(xù)高可靠運行，必須結(jié)合在軌維修，在軌維修是延長空間站運行壽命，并維持任務(wù)可靠性的必要手段。空間站全面考慮了安全性、可靠性和維修性之間的關(guān)系，系統(tǒng)實施了安全性、可靠性、維修性一體化設(shè)計。以固有可靠性設(shè)計為基礎(chǔ)，以在軌維修為補充，通過備件保障支持，共同實現(xiàn)任務(wù)壽命與可靠性要求。以FMEA、FTA和壽命分析為基礎(chǔ)，識別壽命與可靠性薄弱環(huán)節(jié)；開展以可靠性為中心的維修性設(shè)計，從壽命、故障后果以及冗余度方面全面識別空間站維修項目；在此基礎(chǔ)上開展了維修安全性設(shè)計，確保系統(tǒng)在運行狀態(tài)下可安全插拔替換設(shè)備，同時通過設(shè)計和防護手段實現(xiàn)航天員安全操作且無誤操作；綜合在軌設(shè)備故障對系統(tǒng)安全性和可靠性的影響，以及系統(tǒng)冗余設(shè)計、功能裕量，制定天地一體化維修備件存儲策略，保障在軌維修可實施。通過安全性、可靠性、維修性一體設(shè)計實現(xiàn)最小保障成本下空間站最優(yōu)效能。

安全性、可靠性、維修性一體設(shè)計過程如圖1所示。

2.3.1 安全性、可靠性、維修性一體設(shè)計原則與需求分析

分析空間站任務(wù)要求和環(huán)境剖面，根據(jù)產(chǎn)品的成熟度、壽命與固有可靠性水平，在軌飛行環(huán)境下保障支援模式和約束，航天員人時有限的特點，圍繞空間站壽命、安全性和可靠性指標要求，確定安全性、可靠性、維修性一體設(shè)計原則。按照一體設(shè)計原則明確安全性、可靠性、維修性定量、定性設(shè)計要求。將安全性、可靠性、維修性指標進一步分解至乘組安全性指標、安全撤離指標、自主飛行可靠性指標、組裝建造任務(wù)可靠性指標、維修時間等；同時明確包括冗余設(shè)計、裕度設(shè)計、故障檢測、維修可視可達、環(huán)境防護等要求。

2.3.2 以可靠性、安全性為中心的維修性設(shè)計與驗證

在空間站任務(wù)中，全面實踐了二期積累的載人航天器維修性設(shè)計體系，并在安全性、可靠性與維修性權(quán)衡設(shè)計，在軌維修策略制定，以及維修仿真結(jié)合地面試驗驗證方面，進行了全面擴展和持續(xù)深入。

探索了以可靠性、安全性為中心的在軌可維修性設(shè)計技術(shù)，采用邏輯決斷的方法確定維修需求，綜合空間站產(chǎn)品的壽命分析、FMEA和FTA進行維修需求分析，識別壽命薄弱環(huán)節(jié)和可靠性關(guān)鍵設(shè)備，作為維修性設(shè)計的對象；根據(jù)設(shè)備壽命損耗特性和可靠性建模與預(yù)計的結(jié)果確定維修策略，綜合安全性、可靠性、測試性和保障性確定在軌可更換單元，考慮故障發(fā)生概率接近的部組件為更換單元，通過可靠性和維修性綜合設(shè)計確保維修需求識別全面、準確，同時維修策略合理。針對維修項目，開展維修安全性分析，分析實施維修過程中，切除故障設(shè)備后對空間站系統(tǒng)的安全性影響，明確系統(tǒng)可以維持安全運行的最大允許維修時間，作為維修方案的約束；此外，分析在軌維修實施的環(huán)境、維修步驟、維修操作工具、維修次生危險源對航天員的危害，采取消除危險或有效防護的措施，開展維修安全性設(shè)計。

研究了面向任務(wù)需求的在軌維修地面驗證方法，建立了在軌維修混合式仿真驗證平臺，提出了在軌微重力和真空環(huán)境下進行維修的可視性、可達性及維修操作時間的仿真驗證方法[4]，以及零重力局部環(huán)境模擬的維修性驗證平臺[5]，對空間站上所有維修項目進行了有效驗證。

2.3.3 天地一體化備件存儲設(shè)計

空間站是在軌飛行的同時，在系統(tǒng)不停機的情況下實施維修，需要系統(tǒng)快速恢復(fù)可靠性和安全性，故障設(shè)備的備件能否獲得就成為了系統(tǒng)能否從故障中快速恢復(fù)的制約因素。在軌存儲維修備件是一個有效的解決辦法，然而空間站密封艙內(nèi)空間有限，在軌只能少量存儲維修備件和工具，主要依靠貨運飛船發(fā)射運輸維修物資。由此，空間站維修保障支援時間長，難度大，備品備件的儲備策略需要兼顧空間站故障后果和貨運飛船發(fā)射任務(wù)規(guī)劃。

為既保證備件在軌可及時獲得，同時可在在軌有限存儲空間存放，空間站維修備件采用了在軌結(jié)合地面存儲的方式進行儲備。以保證空間站運行可靠、航天員駐留安全和主要任務(wù)成功為目標，故障后果嚴重且緊急的設(shè)備在軌存放備件；故障后果不嚴重或不緊急的設(shè)備，在地面存放備件，故障發(fā)生后通過系統(tǒng)自身的容錯能力繼續(xù)運行，由最近的貨運飛船發(fā)射備件，實施維修更換。地面?zhèn)浼耐懂a(chǎn)規(guī)劃與備件上行時機匹配，在備件發(fā)射前提前研制完成，備件一旦消耗，立即補充，實現(xiàn)滾動存儲。

地面存儲備件的存儲形式則分為整機存儲和散件存儲，散件存儲即儲備狀態(tài)為元器件、印制板、機械部組件。整機存儲可以在較短的時間內(nèi)具備發(fā)射上行狀態(tài)，而散件存儲需要更長的裝配和測試時間，但散件狀態(tài)存儲的同個型號的器件或部組件可以為多臺不同產(chǎn)品供貨，可有效降低成本，儲備效率更高。可根據(jù)故障緊急程度和備件發(fā)射上行規(guī)劃共同決策確定備件儲備狀態(tài)。備件決策流程如圖2所示。

圖2 一體化備件決策流程Fig.2 Decision making process of spare parts

2.3.4 多任務(wù)多艙段可維修組合體的可靠性驗證與評估

空間站是分階段組裝建造完成的，是典型的多任務(wù)多艙段組合可在軌維修航天器，具有可靠性指標內(nèi)涵復(fù)雜，評估對象隨著艙段組裝動態(tài)變化，可通過在軌維修恢復(fù)使用可靠性的特點，對產(chǎn)品的壽命與任務(wù)可靠性要求高，量化驗證試驗子樣需求量大，成本高昂。如何保證多任務(wù)、多艙段間組合、在軌維修等因素影響下可靠性建模的準確性，以及驗證試驗策劃的合理性，是必須要解決的技術(shù)問題。

1)任務(wù)可靠度評估體系

在空間站研制過程中，綜合分析了空間站任務(wù)剖面、組裝建造階段和長時任務(wù)與短期任務(wù)特點，明確了任務(wù)可靠性定量指標內(nèi)涵并創(chuàng)新提出了分階段分任務(wù)的評估體系，任務(wù)可靠度評估體系見表1。

表1 空間站任務(wù)可靠度評估體系Table 1 Reliability assessment system of space station

2)維修支持下的可靠性建模與評估

空間站的可靠性、安全性是在維修支持保障下實現(xiàn)的，關(guān)注的是安全性、可靠性、維修性一體化設(shè)計下的任務(wù)可靠性，以及基于單機設(shè)備規(guī)定時間完成規(guī)定任務(wù)能力的系統(tǒng)安全性?？臻g站創(chuàng)新應(yīng)用了在軌維修支持下的可靠性、安全性評估方法，評估過程中，任務(wù)時間的確定以及系統(tǒng)可靠性建模需考慮維修和保障因素[2]。

首先進行單機產(chǎn)品維修性設(shè)計的檢驗，確認單機是否為在軌可更換單元，進一步對單機緊固件拆卸、電連接器插拔、防泄漏設(shè)計、安裝精度保證、接插件操作空間以及單機自身維修性設(shè)計進行檢驗，檢驗維修方案是否經(jīng)過地面驗證可行；其次進行系統(tǒng)支持的可維修設(shè)計檢驗，包括故障檢測定位和隔離、總體布局的可視可達性設(shè)計、故障件供電信息可隔離、修復(fù)后可檢測等方面檢驗，檢驗維修時間是否在系統(tǒng)允許維修時間內(nèi)；在確認維修可行的基礎(chǔ)上，進一步檢驗保障資源情況，確認是否在軌存有維修備件以及維修操作工具；針對預(yù)防性定期更換產(chǎn)品，確認備件發(fā)射上行規(guī)劃與在軌壽命消耗情況匹配性；針對出艙維修操作的項目，確認出艙任務(wù)安排。

基于維修方案，進行評估模型修正。如果通過維修可行性檢驗，則視在軌維修符合維修如新的特點，此外在軌存儲有備件，經(jīng)驗證可以在系統(tǒng)允許時間內(nèi)完成維修更換，則近似為在軌的冷備份，按照此原則，將原來系統(tǒng)中的串聯(lián)無冗余功能和產(chǎn)品，修正近似為冷儲備模型或表決模型。模型修正后評估結(jié)果較未修正前比較，任務(wù)可靠度提高，這與維修保障支持下，系統(tǒng)使用可靠性得的提升的實際相符，驗證了該方法的正確性。

3)以任務(wù)可靠度為中心的可靠性驗證試驗規(guī)劃

根據(jù)影響飛行器任務(wù)成敗的關(guān)鍵產(chǎn)品及其可靠性特征識別，和可靠性信息在研制過程中的產(chǎn)生規(guī)律分析，采用以系統(tǒng)任務(wù)可靠度為中心的可靠性驗證試驗優(yōu)化方法，構(gòu)建了可靠性驗證試驗結(jié)合研制試驗，壽命與可靠性關(guān)鍵部組件試驗結(jié)合整機試驗的驗證體系，提出了基于系統(tǒng)可靠性評估模型，在系統(tǒng)任務(wù)可靠度指標滿足要求的前提下，適度降低功能級冗余中單機設(shè)備的任務(wù)可靠度，以減少驗證所需子樣的方法。實現(xiàn)了驗證試驗在研制過程中前移，有效控制了驗證成本，同時保證了驗證數(shù)據(jù)充分。

通過在核心艙上應(yīng)用，全面識別了包括33類壽命與可靠性薄弱部組件，策劃了79項壽命專項試驗，78項可靠性定性驗證試驗，34項定量評估試驗，利用以上試驗數(shù)據(jù)，評估核心艙出廠時任務(wù)可靠度不低于0.9704，可滿足指標要求，其中CMG由最初需要17臺高速轉(zhuǎn)子評估子樣優(yōu)化至2臺整機結(jié)合4臺高速轉(zhuǎn)子子樣，采用單機結(jié)合部組件驗證的方法，大大減少了驗證成本，并實現(xiàn)了驗證時機前移。

3 后續(xù)載人航天任務(wù)對安全性、可靠性、維修性技術(shù)發(fā)展的需求與展望

空間站建造完成后將進入長期運營階段，運營過程中將接受40艘來訪飛行器對接，將完成超過50次出艙活動任務(wù)和多次推進劑補給任務(wù)，此外將實施復(fù)雜的在軌空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗。頻繁的大型專項任務(wù)，對空間站平臺的能源功耗、姿態(tài)軌道控制精度、信息處理能力提出很大挑戰(zhàn)，平臺工作狀態(tài)是否良好，也直接影響航天員的安全性，安全風(fēng)險突出，有必要進行運營階段空間站平臺可用性和任務(wù)安全評估[6]。而推進劑、氣體補給，在軌維修備件儲備與消耗，在軌維修更換均會影響空間站平臺狀態(tài)；同時，地面補給受貨運飛船和載人飛船任務(wù)規(guī)劃的約束，空間站平臺狀態(tài)持續(xù)動態(tài)變化，需要研究多因素影響下的空間站可用性評估以及多任務(wù)安全風(fēng)險評估技術(shù)[7-8]。此外，需要開展空間站產(chǎn)品的工作狀態(tài)評估和壽命預(yù)測研究，便于更準確確定維修時機和上行物資規(guī)劃，將空間站運營效費比最大化。

歷經(jīng)載人飛船、空間實驗室和空間站階段形成的安全性、可靠性和維修性設(shè)計、驗證與評估技術(shù)與方法，為后續(xù)載人登月工程多任務(wù)耦合、多飛行器組合下的安全性、可靠性與維修性設(shè)計與驗證奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，由于載人登月任務(wù)受到運載推力的約束，必須在不影響航天員安全和任務(wù)可靠性的前提下，合理開展系統(tǒng)冗余和裕度設(shè)計，控制飛行器發(fā)射重量。因此，有必要圍繞系統(tǒng)冗余、裕度等裕量，開展高準確度可靠性量化評估方法研究，為不同減重方案的確定提供依據(jù)。針對飛行器系統(tǒng)性能余量[9]，應(yīng)用確信可靠性技術(shù)，可以從航天器產(chǎn)品功能分析、性能分析、裕量分析等方面，分析識別關(guān)鍵性能參數(shù)和相關(guān)性特征，開展性能余量建模和確信可靠性分析[10]，全面總結(jié)提取可靠性關(guān)鍵點；通過航天產(chǎn)品的性能方程、裕量方程與退化方程，評估可靠性定量指標[11]，優(yōu)化可靠性評估準確性和有效性。

此外，從可持續(xù)發(fā)展來看，降低運營成本、提高經(jīng)濟性是航天發(fā)展的必然趨勢，其中可重復(fù)使用技術(shù)是降低航天任務(wù)成本的有效途經(jīng)[12]。而如何評價重復(fù)使用產(chǎn)品的剩余壽命、可靠性與安全性能否滿足型號要求，并確定重復(fù)使用產(chǎn)品的維護策略與維護周期，都是需要解決的難題，需要針對可重復(fù)使用飛行器開展經(jīng)濟約束下的可靠性、安全性設(shè)計與評價方法研究。

4 結(jié)束語

載人航天工程的成功實施，推動了我國航天器安全性、可靠性、維修性技術(shù)的長足發(fā)展，基本形成安全性、可靠性、維修性一體設(shè)計與驗證的技術(shù)體系。本文總結(jié)了安全性、可靠性和維修性技術(shù)在神舟飛船、空間實驗室和空間站項目中的工程實踐以及取得的突破。展望后續(xù)空間站運營任務(wù)，由于空間站在軌運行時間長，對安全性和可靠性要求高，參考國際空間站的經(jīng)驗，未來還會面臨進一步延長使用壽命的需求，在軌運營支持成本大。只用通過安全性、可靠性、維修性一體化設(shè)計，才能既保證系統(tǒng)運行安全可靠，同時又對地面保障支援依賴小，并且可通過簡便高效的在軌維修維持并延長空間站服役時間，以創(chuàng)造更大的社會和科學(xué)價值，實現(xiàn)最大效能。

安全性、可靠性、維修性工作涉及專業(yè)范圍廣，工作項目類型多，在工程實踐中積累了豐富的經(jīng)驗，但是在量化評估方面仍然需要對可工程實踐的理論進行進一步探索，以支持空間站長期運營過程中的風(fēng)險評估相關(guān)工作。

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