李 喆，朱亞力，范高潔，張雅彬

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

實現(xiàn)在軌維修，對于簡化載人航天器的設(shè)計難度、提高航天器可靠性及安全性、延長在軌壽命以及降低研制成本有重要意義。因此，維修性設(shè)計是載人航天器設(shè)計的重要內(nèi)容。俄羅斯和美國在載人航天器在軌維修方面已積累了大量的經(jīng)驗。以俄羅斯“和平號”空間站為例，設(shè)計壽命為5年，通過航天員的在軌維修，實際在軌運行壽命達到了15年，綜合效益顯著提高[1-3]。我國已充分認識載人航天器在軌維修的重要性，在研制過程中開展了大量的維修性設(shè)計工作[3-6]。

載人航天器包含有各種功能不同的系統(tǒng)，其中包括姿態(tài)和軌道控制、熱控制和環(huán)境生?？刂频认?統(tǒng)，而在這些系統(tǒng)中又配置了大量的氣、液管路及設(shè)備，因此管路設(shè)備的在軌維修是載人航天器在軌維修設(shè)計中一個極為重要的組成部分。本文對某載人航天器再生生保管系統(tǒng)的管路設(shè)備在軌維修性進行了設(shè)計，經(jīng)地面試驗和在軌飛行維修操作試驗驗證，結(jié)果表明該設(shè)計正確、有效。

1 管路設(shè)備在軌維修設(shè)計的一般性要求

根據(jù)空間和地面不同重力環(huán)境下人體活動特點，管路設(shè)備在軌維修設(shè)計的要求主要包括以下幾個方面：

1）管路斷開并拆卸時應(yīng)防止回路中工質(zhì)泄漏，維修后進行管路裝配連接時應(yīng)保證連接密封可靠；

2）為了防止在軌維修時引入氣體而影響循環(huán)泵運行，應(yīng)設(shè)計氣液分離措施；

3）為了防止在維修過程中由于工質(zhì)泄漏或溫度變化而引起流體回路壓力變化，應(yīng)設(shè)計補償措施；

4）設(shè)計適當(dāng)?shù)陌踩雷o隔離措施以保障航天員及航天器的安全；

5）為了確保維修項目可實施和操作可達性，應(yīng)該留有足夠的操作空間，并提供必要的輔助裝置及限位措施；

6）維修工具應(yīng)簡便和通用，有助于降低航天員維修的工作負荷；

7）要求所有維修項目的操作必須經(jīng)過地面的反復(fù)驗證后才能投入在軌維修應(yīng)用。

2 管路設(shè)備維修性設(shè)計

2.1 維修程序設(shè)計

維修程序?qū)Τ晒嵤┰谲壘S修任務(wù)至關(guān)重要。維修程序在投入飛行應(yīng)用前必須經(jīng)過地面的反復(fù)演練，不僅確保程序可實施，而且要求航天員熟悉程序。進行在軌維修時，要求航天員嚴格按維修程序執(zhí)行操作。管路設(shè)備的在軌維修程序一般包括：被維修設(shè)備斷電，斷開被維修設(shè)備電連接器，斷開損壞模塊兩端快速斷接器，更換損壞模塊，連接更換模塊兩端快速斷接器，連接被維修設(shè)備電連接器以及被維修設(shè)備恢復(fù)供電。

2.2 供電隔離設(shè)計

為保障航天員和航天器的安全，管路設(shè)備在維修過程中應(yīng)斷電停止工作。當(dāng)進行管路設(shè)備維修時，不至于影響其他系統(tǒng)的工作。為此，管路設(shè)備由供電控制單元直接供電，供電線路的繼電器開關(guān)設(shè)置在供電控制單元內(nèi)[7]。維修時，可通過地面發(fā)送遙控指令或航天員發(fā)送手控指令斷開繼電器開關(guān)，從而實現(xiàn)對被維修設(shè)備的斷電處理，見圖 1。供電隔離設(shè)置完成后，航天員手動斷開對外電連接器。

圖1 管路設(shè)備的供電隔離Fig. 1 Power supply isolation of pipe equipment

2.3 工效學(xué)設(shè)計

航天員在失重環(huán)境下，身體呈中性體位，根據(jù)90名殲擊機飛行員的人體參數(shù)數(shù)據(jù)考慮航天員最大的活動范圍[8]，計算航天員中性體位活動空間為170 cm×70 cm×70 cm。圖2為航天員失重環(huán)境下的中性體位姿態(tài)。

圖2 航天員中性體位姿態(tài)Fig. 2 Neutral pose of astronaut

在空間有限的密封艙內(nèi)，航天員開展維修操作時應(yīng)盡量處于人體活動可達區(qū)。在微重力環(huán)境下維修，航天員雙腳需采用腳限位器固定在“地板”上，以便解放雙手自由操作。一般工作面高度要求在人體肘部以下5～10 cm，我國成年男性肘高均值為102 cm，因此，被維修的管路設(shè)備布局應(yīng)在朝向航天員且距地板高度92～97 cm的儀器板上[8]，如圖3所示。

圖3 維修過程中航天員體位及被維修設(shè)備布局Fig. 3 Astronaut poses during maintenance and layout of pipe equipment

2.4 管路系統(tǒng)設(shè)計

1）防工質(zhì)泄漏設(shè)計[9]

使用快速斷接器可實現(xiàn)工質(zhì)在管路的迅速接通或斷開，并且斷開后工質(zhì)不會在接頭處泄漏。當(dāng)斷接器處于分離狀態(tài)時，由兩個剛性相同、變形一致的圓柱螺旋彈簧分別壓緊滑芯與殼體的密封處，使管路中的工作介質(zhì)被密封。當(dāng)斷接器處于對接狀態(tài)時，在兩端滑芯頂桿相互作用下頂開彈簧，使其滑芯分別向兩端移動，密封脫開，管路又接通。斷接器兩端的對接密封采用2個О型密封圈，通過對密封圈的徑向擠壓進行密封，確保工作介質(zhì)不外漏。根據(jù)產(chǎn)品測量結(jié)果，快速斷接器連接后，漏率可達到10-7Pa·m3/s量級。

2）氣液分離設(shè)計

氣液分離常采用膜式分離[10]和離心力分離[11]2種方式。

膜式分離的原理是利用親液性好的微孔濾膜的表面作用，由膜和黏在微孔上的液體阻隔氣體通過且允許液體流過，從而實現(xiàn)氣液分離。膜式分離是有壓力要求的，對一定孔徑的親液微孔濾膜，當(dāng)膜兩側(cè)的壓力差小于等于某一特定閾值時，才能對氣隔離而對液導(dǎo)通，完成氣液分離功能。

離心力分離的原理是利用氣體與液體密度不同，當(dāng)2種工質(zhì)混合一起做渦流運動時，液體受到的離心力大于氣體，液體被甩出分離器，而氣體聚集在渦流中心附近或受附著力作用附著在分離壁面，最終匯集到一起，通過排放管排出。

3）補償設(shè)計

航天器管路設(shè)備中通常采用金屬波紋管式的工質(zhì)補償器[12]，主要由氣腔、液腔、金屬波紋管和殼體構(gòu)成。氣腔中充滿氣體，液腔充滿液體并與回路連接，當(dāng)回路中工質(zhì)體積變化時，通過金屬波紋管的伸縮，使系統(tǒng)工作的壓力維持穩(wěn)定。

2.5 維修工具設(shè)計及維修時間預(yù)估

管路維修的一般操作包括接頭保護帽的拆裝、設(shè)備緊固件拆裝、管路接口斷開和連接。對維修工具是有要求的，主要包括機械拆裝、清潔、靜電防護和綁縛等。為減少維修工具的種類和重量，管路維修使用工具優(yōu)先選擇航天器平臺配置的通用工具，如有特殊需要才選用專業(yè)工具，載人航天器常用的通用工具見表1。

表1 航天器常用的通用工具Table 1 General tools in manned spacecraft

為了保證航天員在軌作息與地面同步，應(yīng)科學(xué)預(yù)估航天員在軌維修操作時間，合理安排維修項目開展時段，是保證航天員正常作息的必要條件。對天、地開展相同操作所用時間進行統(tǒng)計，航天員在軌用時約為地面用時的1.5～2倍。

3 管路設(shè)備維修性設(shè)計的地面驗證

按照上述方法對我國某載人航天器再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備進行維修性設(shè)計（圖4），再生生保系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)部集成了膜式氣液分離器、工質(zhì)補償器和循環(huán)泵等。維修操作程序：航天員將運輸飛船上行的水箱通過快速斷接器與再生生保系統(tǒng)設(shè)備相連，與水箱連接后再通過扎帶綁縛在再生生保系統(tǒng)設(shè)備下方的儀器板上（不再需要用緊固件固定），因此該試驗項目不驗證待維修設(shè)備緊固件的拆裝等維修內(nèi)容。

圖4 再生生保設(shè)備管路維修原理Fig.4 Schematic diagram of maintenance of pipe equipment for life support system

1）試驗狀態(tài)

航天器試驗狀態(tài)與在軌飛行狀態(tài)一致，整器不加電，被維修的管路設(shè)備斷電停止工作。試驗用的上行水箱和工具為鑒定件，與上天的水箱和工具狀態(tài)一致。由2名飛船工程師完成試驗操作，他們的身形與航天員相仿，而且具有豐富的艙內(nèi)操作經(jīng)驗。試驗過程中由航天員系統(tǒng)同步進行工效學(xué)評價。

2）試驗結(jié)果

試驗前整器斷電，維修流程中“通過地面遙控指令或航天員手控指令對被維修設(shè)備停止供電”未實施，但該操作在綜合測試階段已驗證，結(jié)果有效。

飛船工程師雙腳采用腳限位器固定在地板上，雙手進行維修操作，被維修設(shè)備的可視性、可達性良好，活動空間充足，航天員系統(tǒng)工效評價結(jié)論為合格。

快速斷接器插合過程正常，連接后密封狀態(tài)良好，無工質(zhì)泄漏。

工具配置合理，與被維修設(shè)備接口匹配性好。飛船工程師操作耗時16 min，按1.5～2倍預(yù)估航天員在軌操作時間為24～32 min。

操作完成后，對再生生保系統(tǒng)設(shè)備通電，上行水箱中的水可引入再生生保系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

3）與在軌狀態(tài)不一致情況

驗證過程存在1處與在軌狀態(tài)不一致的情況：由于水箱受重力影響，需1名飛船工程師手扶，另1名航天員進行管路維修操作，而在軌維修操作設(shè)計僅安排1名航天員操作，如圖5所示。

圖5 維修操作與在軌不一致情況示意Fig. 5 Inconsistency between ground test and on-orbit realization

由驗證結(jié)果可判斷：再生生保系統(tǒng)設(shè)備管路維修性設(shè)計正確，維修程序合理，可應(yīng)用于在軌實施。

4 在軌實施

按照上述管路設(shè)備在軌維修程序，在我國某載人航天器上實施了再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備在軌維修試驗。經(jīng)地面配合，1名航天員正常完成了上行水箱的接入工作，操作耗時約25 min，與預(yù)計時間相符。地面通過航天員在軌拍攝的圖像對維修后設(shè)備狀態(tài)進行判斷，證明水箱接入后密封良好，快速斷接器連接處無泄漏，維修操作成功。航天員撤離后，在自主飛行階段對維修后的設(shè)備通電運行，地面根據(jù)在軌運行狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)判斷，管路設(shè)備維修試驗成功。

5 結(jié)束語

本文對某載人航天器再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備在軌維修性進行了設(shè)計，內(nèi)容涉及維修程序設(shè)計、供電隔離設(shè)計、工效學(xué)設(shè)計、管路系統(tǒng)設(shè)計、維修工具設(shè)計及維修時間預(yù)估共5個方面。地面驗證和在軌試驗驗證證實，再生生保系統(tǒng)的管路設(shè)備維修性設(shè)計正確、有效。

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