楊海峰， 肖雪迪， 俞 進

（北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094）

1 引言

2022 年4 月16 日9 時56 分，隨著神舟十三號返回艙在東風著陸場安全降落，標志著中國空間站關鍵技術驗證階段第二次載人交會對接任務獲得圓滿成功。 神舟十三號在軌運行180 d，創(chuàng)造了神舟飛船載人飛行任務時長新紀錄。 隨著中國進入空間站任務時代，神舟飛船發(fā)射頻率將顯著提高，天地往返運輸任務將成為常態(tài)。

神舟十一號及以前在軌飛行任務時間均不超過30 d，飛行時間較短。 為確保航天員安全，隨時應對應急情況，飛控任務以地面人工監(jiān)控為主，對飛船狀態(tài)的故障診斷均通過人工完成。 在載人航天工程二期發(fā)射任務間隔時間長、在軌飛行時間短的背景下是可行的。 隨著空間站任務階段一年發(fā)射2 艘載人飛船、單次任務持續(xù)180 d 成為常態(tài)，完全依靠人工判斷和故障診斷顯然不可行，必須借助于自動化手段。

航天器故障診斷方法可以分為3 大類：基于規(guī)則、基于數(shù)據(jù)驅動和基于模型［1-4］。 NASA 已經(jīng)開發(fā)出一些較為成熟的故障診斷工具， 如TEAMS-RT、Livingstone 等［5］。 基于規(guī)則的故障診斷方法通過對專家的經(jīng)驗總結，描述故障現(xiàn)象，方法簡單直觀，易于開發(fā)實現(xiàn)；基于數(shù)據(jù)驅動的故障診斷方法通過歷史數(shù)據(jù)或仿真學習，總結規(guī)律并診斷故障，分為基于統(tǒng)計分析的方法、基于信號處理的方法和基于人工智能的方法；基于模型的故障診斷方法通過建立計算模型進行故障診斷，包括定性模型、定量模型和解析模型。其中，基于數(shù)據(jù)驅動的方法需要開發(fā)具有自主學習能力的復雜故障診斷軟件，基于模型的方法需要建立整船復雜的數(shù)學模型，這2 種方法對神舟飛船來說均難以實現(xiàn)，且設計師難以確定診斷結果的正確性，短時間內無法在關乎航天員生命安全的系統(tǒng)上實現(xiàn)。

本文針對空間站任務階段神舟飛船在軌長期飛行任務特點，開展組合體?？慷喂收显\斷需求分析、數(shù)據(jù)包絡分析、規(guī)則設置分析，提出了基于規(guī)則的故障診斷方案，并在神舟十三號飛控任務中首次成功應用。

2 任務特點分析

空間站任務神舟飛船的飛控任務階段主要包括：發(fā)射段、交會對接段、組合體停靠段、撤離及返回準備段、返回再入段和回收著陸段。 其中發(fā)射及交會對接段、組合體分離后的返回段分別采用了快速交會對接、快速返回技術，均能夠在7 h 以內完成交會對接和返回，典型任務剖面見圖1。這2 個任務段關鍵事件密集、模式轉換快、持續(xù)時間短，需要專業(yè)的飛控技術人員24 h 在崗，適合人工判讀及故障診斷。 而在組合體?？慷危裰埏w船具有以下特點：

圖1 空間站任務階段神舟飛船任務剖面示意圖Fig.1 The mission profile of Shenzhou spacecraft in the space station mission

1）飛船已有14 次在軌完整飛行試驗經(jīng)歷，而組合體?？咳蝿談t經(jīng)過了神舟八號至神舟十二號共計5 次飛行驗證，有一定的試驗數(shù)據(jù)積累。

2）飛船大部分設備處于斷電貯存模式，與衛(wèi)星型號長期獨立工作狀態(tài)明顯不同。 如儀表、對接機構、推進、GNC、測控等處于完全或大部分斷電貯存狀態(tài)，平臺設備狀態(tài)及工作模式相對穩(wěn)定。

3）飛船組批生產模式下技術狀態(tài)相對穩(wěn)定，一年2 次發(fā)射任務，在軌飛行試驗的數(shù)據(jù)一致性較好，便于試驗數(shù)據(jù)的持續(xù)積累和比對。

4）空間站飛行姿態(tài)及構型有變化，會對飛船能源、外熱流產生影響，表現(xiàn)在飛船平臺設備熱控參數(shù)波動劇烈、供配電模式變化。 大系統(tǒng)接口及影響也比較明確。

基于以上任務特點分析，采用基于規(guī)則的故障診斷方法比較適合神舟飛船組合體?？慷物w控任務，相對簡單且短時間內容易實現(xiàn)。 而數(shù)據(jù)驅動、基于模型等故障診斷方法等對智能化、建模水平等要求很高［6-8］，更適用于起點高的新一代航天器［9-10］。

3 基于規(guī)則的故障診斷方案設計

3.1 需求分析

神舟飛船組合體?？慷沃饕蝿諡榈却？咳蝿铡⒄＝Y束實施返回任務、出現(xiàn)組合體失火失壓等緊急重大故障時，隨時待命應急撤離。

?？科陂g航天員主要在空間站艙段工作和生活，載人飛船一般故障均不會影響組合體安全及駐留任務。 此外設計了應急救援飛船方案，最壞情況下，?？康妮d人飛船發(fā)生故障不能實施返回任務時，還可以發(fā)射應急救援飛船，以確保航天員安全返回。 因此故障診斷原則如下：

1）將直接影響空間站組合體安全的故障模式相關參數(shù)作為核心參數(shù)，加嚴判讀，包括推進劑、并網(wǎng)供電電流等。

2）將直接影響飛船平臺及返回安全的故障模式相關參數(shù)作為核心或重要參數(shù)，視故障緊急情況加嚴判讀，包括消耗性資源、母線電壓和電流、充放電電流、放電深度等。

3）其他不影響組合體及飛船平臺安全的參數(shù)作為一般參數(shù)進行監(jiān)視。

根據(jù)以上故障診斷原則，設計神舟飛船故障診斷方案流程，見圖2。

圖2 神舟飛船故障診斷方案設計流程Fig.2 Design process of the fault diagnosis scheme for Shenzhou spacecraft

3.2 數(shù)據(jù)包絡分析

數(shù)據(jù)包絡分析的目的是識別所有平臺設備在特定任務階段、特定工作模式及特定外部環(huán)境條件下的參數(shù)邊界或狀態(tài)，是基于規(guī)則的故障診斷方法的重要工作內容，直接決定著故障診斷的準確性，本文特指神舟飛船組合體?？侩A段關鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)包絡分析。

包絡分析的輸入包括歷史所有相同技術狀態(tài)型號的地面測試數(shù)據(jù)、地面試驗數(shù)據(jù)、地面仿真數(shù)據(jù)及在軌飛行試驗數(shù)據(jù)等。 分析時，力求數(shù)據(jù)歸一化。 按照是否滿足技術指標要求、是否在成功包絡范圍內分為4 類：合格／包絡、合格／不包絡、超差／包絡、超差／不包絡。對于超差／包絡、超差／不包絡情況，需復核是否為偶發(fā)狀態(tài)，是否影響任務實施，根據(jù)復核結果決定是否引入或剔除包絡。

3.3 規(guī)則設置

神舟飛船組合體停靠段關鍵參數(shù)按照設置規(guī)則包括門限類參數(shù)、狀態(tài)字參數(shù)及常值區(qū)間參數(shù)。

1）門限類參數(shù)。 門限類參數(shù)是神舟飛船中最普遍的參數(shù)，主要包括：溫度、濕度、總壓、氧分壓、壓強、轉速、電壓、電流、放電深度等。 這類參數(shù)的診斷規(guī)則為一個數(shù)值區(qū)間，其中表征電子產品狀態(tài)的電壓和電流參數(shù)、表征載人環(huán)境相關的總壓、氧分壓等參數(shù)與空間站組合體構型、飛行姿態(tài)等無關，均可通過數(shù)據(jù)包絡分析、技術指標分析等制定相對準確的門限；而溫度、加熱功耗等參數(shù)與空間站組合體構型、飛行姿態(tài)引起的外熱流變化直接相關，且難以通過測試手段獲取，只能通過熱仿真、熱試驗等作為先驗數(shù)據(jù)，再考慮仿真和試驗偏差，作為門限制定的輸入，后續(xù)通過在軌驗證再進行迭代完善。

對于同一?？咳蝿斩危蚬r或工作模式發(fā)生變化導致門限變化，還需進行關聯(lián)判斷，提高故障診斷的準確度，避免漏判或誤判。 以載人飛船帆板全遮擋并網(wǎng)供電工況為例，并網(wǎng)供電工況下電池不放電，整船峰值功耗不高于1500 W，密封艙設備溫度水平相對非并網(wǎng)供電工況都會降低，需要針對并網(wǎng)工況和非并網(wǎng)工況單獨設置判斷門限，見表1。

表1 神舟飛船典型關聯(lián)參數(shù)門限規(guī)則示例Table 1 Example of the threshold rules for typical associated parameters of Shenzhou spacecraft

消耗性資源相關參數(shù)是典型的門限類參數(shù)，飛船轉?？慷魏笳Ｇ闆r下所有資源均不消耗，相關參數(shù)應為恒定值。 如推進劑、應急電池容量、氧氣瓶壓力、空氣瓶壓力等，考慮溫度波動等引起的偏差后，應加嚴判讀，每次轉組合體?？咳蝿蘸蟾鶕?jù)剩余量重新設置。

2）狀態(tài)字參數(shù)。 如果說門限類參數(shù)規(guī)則是做區(qū)間判斷題，狀態(tài)字類參數(shù)則類似做狀態(tài)判斷題或選擇題，主要是對軟件的控制或工作模式進行診斷，判斷軟件是否進入了非預期的工作模式或發(fā)生了異常復位等，診斷規(guī)則實現(xiàn)起來相對簡單，見表2。 根據(jù)設備工作特點，狀態(tài)字參數(shù)也可以設置關聯(lián)判據(jù)。

表2 神舟飛船狀態(tài)字參數(shù)診斷規(guī)則示例Table 2 Example of the diagnosis rules for the status parameters of Shenzhou spacecraft

3）常值區(qū)間參數(shù)。 常值區(qū)間類診斷主要是用于判斷連續(xù)計數(shù)類參數(shù)表征的軟件是否發(fā)生了死機、機構是否發(fā)生了卡滯等故障模式。 根據(jù)設備工作特點，常值區(qū)間參數(shù)也可設置關聯(lián)判據(jù)。典型的常值區(qū)間參數(shù)診斷規(guī)則見表3。

表3 神舟飛船常值區(qū)間參數(shù)診斷規(guī)則示例Table 3 Example of the diagnosis rules for the constant interval parameters of Shenzhou spacecraft

4 應用情況

4.1 故障診斷情況

神舟飛船按照以上故障診斷方案，依次完成了故障診斷需求分析、?？慷卧O備工作模式分析、停靠段參數(shù)包絡分析及診斷規(guī)則設置等工作，識別參數(shù)2400 個，其中核心參數(shù)為125 個，重要參數(shù)為700 個，一般參數(shù)為1575 個。 在所有準備工作就緒后，經(jīng)過確認、評審，將所有參數(shù)錄入診斷系統(tǒng)并在神舟飛船任務中試運行一周，試運行結束后，轉為正式執(zhí)行任務。

為了能夠及時處置報警信息，提升應急處置能力水平，確保航天員乘組及空間站組合體安全，地面制定了應急處置流程，并通過管理規(guī)范的形式明確各級責任，見圖3。

圖3 神舟飛船應急響應流程Fig.3 The emergency response process of Shenzhou spacecraft

從正式運行到神舟飛船返回任務，故障診斷系統(tǒng)值班約6 個月，發(fā)生報警信息26 項，經(jīng)確認均為虛警，對相關參數(shù)的診斷規(guī)則進行了完善。從報警參數(shù)類型看，占比最高的為并網(wǎng)供電相關參數(shù)、管路壓強和溫度參數(shù)，總數(shù)占比86%。 主要由并網(wǎng)供電關聯(lián)參數(shù)的復雜性、溫度參數(shù)的不確定性導致難以準確設置判讀門限引起，與預期一致。 見表4。

表4 報警信息按照參數(shù)統(tǒng)計Table 4 The alarm information counted according to the parameters

從報警信息發(fā)生的時間分布上看，運行前2個月最多，占比86%，2 個月后報警信息明顯減少并趨于穩(wěn)定，見表5。 主要由于飛行2 個月后，神舟飛船徑向?？康牟⒕W(wǎng)供電模式基本固化成熟，外熱流邊界、工作模式等基本覆蓋，參數(shù)完善后的故障診斷規(guī)則的設置更加合理，與預期一致。

表5 報警信息按照發(fā)生時間統(tǒng)計Table 5 The alarm information counted according to the occurrence time

為驗證故障診斷方案的正確性，在神舟飛船定期巡檢期間（相對于?？磕Ｊ剑O備工作模式、開關機狀態(tài)等發(fā)生變化，相當于模擬了真實故障），利用故障診斷系統(tǒng)對巡檢模式下靠的報警信息進行了一一對比分析，報警信息準確率100%，巡檢結束后，報警信息恢復為0。 以上驗證了神舟飛船基于長期?？磕Ｊ焦收显\斷方案設計的正確性。

4.2 改進情況

神舟飛船推進相關設備在?？慷尾还ぷ?，出于安全考慮，推進的氣、液管路閥門均處于關閉截止狀態(tài)，防止管路泄漏或發(fā)動機異常工作。 其中推進劑密閉管路受外熱流影響會造成壓力持續(xù)波動，當預計超過2.8 MPa 安全上限時就需要地面發(fā)送指令，打開上游的閥門進行管路維護。

對神舟飛船診斷系統(tǒng)6 個月運行結果進行分析發(fā)現(xiàn)，推進的管路壓力參數(shù)超限后均能準確報警，報警次數(shù)比較頻繁且對地面技術人員處置時效性要求非常高。 從出現(xiàn)報警信息到組織地面人員上行指令往往需要0.5 ～1 h，有時發(fā)送指令時發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出測控區(qū)，極端情況下會出現(xiàn)約4.5 h不在測控區(qū)情況，不具備處置條件，導致管路壓力有超上限的風險。

經(jīng)過綜合分析，對神舟飛船數(shù)據(jù)管理軟件提出了技術狀態(tài)更改建議：后續(xù)停靠期間，推進管路壓力由數(shù)管軟件自動判斷，超過2.8 MPa 時，數(shù)管軟件自動發(fā)送程控指令，打開相關閥門進行管路維護；維護后5 min 自動關閉管路閥門，實現(xiàn)船上自主健康管理，徹底解決地面應急處置時效性不高的問題，可有效降級故障處置風險，提高整船的安全性水平。

5 結論

1）設計了神舟飛船在組合體?？慷蔚墓收显\斷方案，并在神舟十三號任務中首次成功應用，實現(xiàn)了神舟飛船飛控任務從人工監(jiān)視到地面自動故障診斷的歷史性跨越，極大地提高了故障診斷效率，解放了人力資源，為其他載人航天器故障診斷提供了參考；

2）采用基于規(guī)則的故障診斷方法更適合神舟飛船這種?？慷螤顟B(tài)固定、有較多歷史數(shù)據(jù)、任務重復性好的航天器，但是故障處置依賴于地面技術人員，需要制定明確的應急故障處置規(guī)范，確?？蓪嵤?/p>

3）長期來看，針對成熟航天器的緊急重大故障，在不顯著增加研制成本和技術難度的情況下，適當增加船／器上自主健康管理功能，可有效降低對地面處置的依賴程度，提升載人航天器安全性水平。