楊擁民，吳志強

（1國防科技大學裝備綜合保障技術(shù)重點實驗室，長沙710043；2中國航天員科研訓練中心，北京100094）

1 需求分析

環(huán)控生保分系統(tǒng)是空間站的重要組成部分，由八個基礎(chǔ)性非再生子系統(tǒng)以及五個為實現(xiàn)氧氣、水和消耗性材料循環(huán)利用而采用的物化再生子系統(tǒng)共同組成，包括大量的機、電、液、氣、化學對象，并具有多種工作模式和組合形態(tài)。從飛船到空間站，環(huán)控生保分系統(tǒng)的工作壽命從數(shù)天、數(shù)十天跨越式延長到10年，需要長時間不間斷運行，對系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了極其嚴酷的要求，特別是再生子系統(tǒng)多為新研產(chǎn)品，可靠性安全性工作基礎(chǔ)薄弱。

分系統(tǒng)中多數(shù)產(chǎn)品的工作壽命都遠小于空間站的壽命要求，若僅靠冗余備份來滿足空間站總體提出的壽命和可靠度要求，將使空間站平臺設(shè)備的數(shù)量異常龐大?；谖覈斍暗募夹g(shù)和經(jīng)濟實力，并借鑒和平號空間站與國際空間站的經(jīng)驗，必須在環(huán)控生保分系統(tǒng)的設(shè)計和研制過程中開展維修性設(shè)計，以提高系統(tǒng)的工作壽命與可靠度，同時兼顧貨運飛船的保障，使得環(huán)控生保分系統(tǒng)達到可靠性、維修性、保障性的綜合優(yōu)化。

為實現(xiàn)以上目標，需要突破傳統(tǒng)我國載人航天器以可靠性和安全性為質(zhì)量主體的設(shè)計模式，開展整體的可靠性、維修性、保障性（RMS）設(shè)計工作，而大量工作項目的引入會使得分系統(tǒng)的研制過程更加復雜、困難，如何在樣機設(shè)計過程中同步、高效開展RMS工作，研制單位缺乏相應(yīng)的技術(shù)積累，我國航天領(lǐng)域也尚無既往成功經(jīng)驗可循。因此，根據(jù)環(huán)控生保前期工作的理論探索和設(shè)計實踐，探討工程實施思路和一些關(guān)鍵技術(shù)問題是十分必要的。

2 國外情況分析

國際空間站研制過程中非常重視RMS一體化設(shè)計，從并行工程角度將其看出是產(chǎn)品設(shè)計工作的重要組成部分。NASA認為空間站的RMS特性之間有著非常密切的相互關(guān)系，如圖1所示，可以看到，可靠性、維修性、保障性設(shè)計之間需進行設(shè)計權(quán)衡，保障策略的優(yōu)化與維修性設(shè)計可以直接影響可靠性設(shè)計。

圖1 NASA考慮的RMS工作之間的關(guān)系

國際空間站中，美國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，不能極大化地發(fā)揮產(chǎn)品壽命能力，導致航天員勞動強度大。美國艙采用以可靠性為中心的維修（RCM）方法，通過引進基于條件的維修理論，補充了僅僅基于時間維修的方式，從而大大延長了一些設(shè)備的壽命和維修間隔。

國際空間站運行前幾年，良好的維修保障有效保證了環(huán)控生保分系統(tǒng)的正常運行，開始運行3年間，總計發(fā)射14班次的航天飛機或飛船，以對空間站進行保障補給。分系統(tǒng)維修保障對象主要包括關(guān)鍵備件、升級的硬件、故障的ORU、定壽的ORU和工具五類，其中定壽的ORU是保障的主體，其數(shù)量和質(zhì)量均占有較大的比重。通過延長定壽件的使用壽命，有效減少了環(huán)控生保分系統(tǒng)的維修保障量。在國際空間站最初上載的備件中，有些備件在實際運行過程暫時沒有使用需求，且由于空間站存儲空間不足，導致備件又被帶回地面。

3 RSM工作設(shè)計思路

3.1 設(shè)計思路

環(huán)控生保分系統(tǒng)RMS設(shè)計工作相互依賴，實施過程中需要解決兩個問題：一是由于RMS設(shè)計工作的特點是工作項目多，應(yīng)結(jié)合空間站各階段工作的特點，遴選各層次有效的工作項目，并合理掌握各項工作的時機和接口關(guān)系，使得RMS設(shè)計工作的效能最大化；二是如何將RMS特性融合到分系統(tǒng)的設(shè)計工作中，建立RMS一體化設(shè)計準則和機制，促成RMS設(shè)計工作和系統(tǒng)主功能結(jié)構(gòu)設(shè)計的集成化和并行化。

按照GJB450規(guī)定，可供選擇的可靠性設(shè)計與分析工作項目有13個；GJB368B規(guī)定的可供選擇的維修性設(shè)計與分析工作項目有6項，還應(yīng)包括在GJB2547中規(guī)定的測試性工作項目；而在GJB1371中規(guī)定的可供選擇的保障性分析工作項目就有15項。如此眾多的工作項目和要求，若都在分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、ORU、單機等層面開展，將使得工作量異常繁重，應(yīng)當進行必要的篩選，把握重點環(huán)節(jié)和重點對象。比如，在可靠性方面，應(yīng)以分系統(tǒng)層面的可靠性分配和預(yù)計為重點，而對于各個ORU，應(yīng)著重開展可靠性、長壽命詳細設(shè)計。在維修性設(shè)計方面，ORU的劃分是分系統(tǒng)RMS工作的重要基礎(chǔ)，應(yīng)作為分系統(tǒng)層面的工作重點之一，并開展ORU的維修性詳細設(shè)計和難點維修項目的分析校核。

改進RMS設(shè)計與分析的做法，進行RMS一體化設(shè)計與分析將有利于提高RMS工作的效率與效益。而要達到這一目的，除管理因素外，最重要的是研究RMS一體化設(shè)計與分析的先進技術(shù)、方法和手段。可靠性、維修性、保障性指標和可用度之間有明確的數(shù)學關(guān)系，應(yīng)圍繞空間站及其環(huán)控生保的頂層設(shè)計要求，開展RMS一體化指標論證、分配和預(yù)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，不同構(gòu)型和安裝條件的單機方案，其可靠性、維修性和保障性可能會導致沖突，需要進行整體的綜合優(yōu)化和權(quán)衡。

3.2 總體設(shè)計流程

空間站環(huán)控生保分系統(tǒng)開展全任務(wù)階段和全系統(tǒng)的RMS設(shè)計分析，根據(jù)總體規(guī)劃的各任務(wù)階段環(huán)控生保分系統(tǒng)功能，進行分系統(tǒng)層面的可靠性與安全性分析設(shè)計，形成建造階段和運行階段各航天器環(huán)控生保分系統(tǒng)的配置方案，并在此基礎(chǔ)上展開分系統(tǒng)—子系統(tǒng)—單機層次的RMS分析設(shè)計。環(huán)控生保分系統(tǒng)RMS設(shè)計總體流程如圖2所示。

首先根據(jù)空間站任務(wù)剖面對環(huán)控生保分系統(tǒng)的功能需求、空間站整體的使用與保障方案想定，得到核心艙環(huán)控生保分系統(tǒng)功能和組成，為RMS設(shè)計提供輸入條件。在此基礎(chǔ)上進行分系統(tǒng)功能的FMECA（故障模式、影響與危害度分析）和危險源初步分析，得到分系統(tǒng)的主要故障模式及危險源，通過分系統(tǒng)的可靠性和安全性頂層設(shè)計，為空間站組合體環(huán)控生保分系統(tǒng)總體布局和備份設(shè)計方案提供支撐，以提高分系統(tǒng)的可靠性與安全性。

然后針對空間站組合體中的各航天器環(huán)控生保分系統(tǒng)和子系統(tǒng)，開展RMS詳細設(shè)計，保證分系統(tǒng)長時間安全運行。通過各分系統(tǒng)的危險源分析和FMECA詳細分析，得到故障模式以及運行、使用和維修過程的危險源，并以O(shè)RU劃分為基礎(chǔ)，開展詳細的可靠性設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、安全性設(shè)計來提高可靠度和安全性。而對于運行中的故障模式和險情，需要開展測試性設(shè)計，以進行準確的故障與危險檢測、預(yù)報和定位，其中故障的排除通過維修來實現(xiàn)，進行維修性設(shè)計使得維修過程省時、省力、方便?；诳煽啃院途S修性要素，并結(jié)合壽命特征參數(shù)分析開展長壽命設(shè)計。另外，要利用維修保障性設(shè)計提供維修備件資源，形成分系統(tǒng)的維修和保障方案。完成RMS設(shè)計后，進行相應(yīng)的驗證和評估，為轉(zhuǎn)入初樣階段提供依據(jù)。

圖2 空間站環(huán)控生保分系統(tǒng)RMS設(shè)計總體流程

環(huán)控生保分系統(tǒng)RMS設(shè)計工作由分系統(tǒng)―子系統(tǒng)―ORU/單機逐層展開。分系統(tǒng)的功能設(shè)計和RMS設(shè)計并行開展，充分融合、相互支撐，保證分系統(tǒng)方案具有良好的質(zhì)量特性和綜合保障特性。

4 若干關(guān)鍵技術(shù)

環(huán)控生保分系統(tǒng)RMS的設(shè)計重點把握好兩個頂層約束：一是以任務(wù)可靠性和安全性為中心，實現(xiàn)10年任務(wù)可靠度和安全性定性要求；二是年資源計劃上行量應(yīng)規(guī)劃合理，在貨運飛船可承受的補給能力之內(nèi)。對于第一個約束，需要分析與測試、維修的耦合關(guān)系，開展RMS工作，進行產(chǎn)品設(shè)計和定性權(quán)衡，使得ORU和單機具有RMS綜合特性；對于第二個約束，主要與ORU的質(zhì)量、體積和更換數(shù)量相關(guān)，而在高可靠度要求之下，ORU數(shù)量主要和ORU劃分、壽命周期、安全性相關(guān)。圍繞這兩個約束的設(shè)計，需要突破RMS綜合權(quán)衡、ORU劃分、考慮維修的可靠性分配、可靠性和長壽命設(shè)計等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 RMS耦合分析與綜合權(quán)衡

環(huán)控生保分系統(tǒng)的RMS特性之間互為關(guān)聯(lián)，在指標論證和詳細設(shè)計過程中，要綜合考慮各種約束和需求，周密考慮并權(quán)衡好各種方案的優(yōu)劣，不能隨意提高某項指標，而忽略了其它特性的影響。

4.1.1 完好率指標的權(quán)衡

RMS的耦合關(guān)系一般通過可用度和完好率兩個指標來建立，屬于宏觀層面。而在可用度模型中，只要系統(tǒng)處于維修狀態(tài)就認為系統(tǒng)是不可使用的，這與環(huán)控生保的特點并不相符，短時間的停機維修不會導致環(huán)境參數(shù)的明顯變化，仍能有效保證人的健康和安全，因此，在分系統(tǒng)單機數(shù)量多、維修較為普遍的情況下，應(yīng)重點保證完好率指標的實現(xiàn)，該模型中，即使系統(tǒng)因故障處于維修狀態(tài)，只要其維修的時間在系統(tǒng)任務(wù)允許的范圍內(nèi)，就不能認為該次維修影響完好。

環(huán)控生保分系統(tǒng)的完好率POR=R（t）+Q（t）×P（tm

4.1.2 備件上行量的權(quán)衡

分系統(tǒng)備件上行量的與整體可靠性水平相關(guān)，同時又受到ORU質(zhì)量、壽命周期等因素的影響。根據(jù)歐空局的經(jīng)驗，ORU的最大允許質(zhì)量取決于其可靠性水平。在分系統(tǒng)的上行資源約束下，需要以FMECA得到的嚴酷度結(jié)果為基礎(chǔ)，在確保任務(wù)可靠性和航天員安全性的前提下，聯(lián)合平均無故障間隔時間MTBF、ORU質(zhì)量等參數(shù)進行優(yōu)化計算，得到合理的設(shè)計要求。

4.1.3 RMS詳細設(shè)計權(quán)衡

分系統(tǒng)的RMS詳細設(shè)計屬于微觀層次，一般以O(shè)RU為基本設(shè)計單元，根據(jù)RMS的定量指標要求，進行高可靠、易維修、好保障的定性設(shè)計，需要以產(chǎn)品的功能性能實現(xiàn)為基本要求，結(jié)合RMS特性進行綜合優(yōu)化設(shè)計。不同的方案的功能與RMS特性之間、各個RMS特性之間可能存在沖突或者不協(xié)調(diào)，這樣就要求設(shè)計過程中具體分析，尋求優(yōu)化合理的解決方案。比如，在分系統(tǒng)檢測傳感器的配置設(shè)計過程中，需要權(quán)衡測試設(shè)備的增加對可靠性的影響；為方便維修所采用的快速對接連接器，會帶來新的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，需要增強密封可靠性和插拔耐久性；為實現(xiàn)易維修操作，緊固件的數(shù)量應(yīng)較少、緊固力應(yīng)較低，但其抗力學環(huán)境能力也隨之下降，需要進行權(quán)衡設(shè)計。

4.2 ORU劃分

ORU的確定是維修性設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，但進行ORU劃分不僅僅依賴于維修性專業(yè)的工作，還需要全面分析對功能性能實現(xiàn)和RMS的影響，進行綜合確定，是一件非常復雜的工作。應(yīng)以系統(tǒng)功能流程圖為基礎(chǔ)，遵循單元之間的低耦合和單元內(nèi)部的高內(nèi)聚原則，充分考慮各種劃分影響因素，制定科學合理的劃分規(guī)則和評價方法。

4.2.1 ORU劃分范圍的確定

環(huán)控生保分系統(tǒng)的各零部件、產(chǎn)品、單機滿足以下條件的必須列為ORU或者其組成部分：壽命達不到空間站總體設(shè)計壽命的對象；壽命周期范圍內(nèi)可靠性存在不足，會發(fā)生故障的對象；壽命未到期但影響安全的單機對象；需要拆卸進行各種檢查、監(jiān)控、維護的各種預(yù)防性維修對象；各種功能消耗件；對于連接件、密封圈、橡膠墊等其它的零部件，如果和ORU功能連接較為緊密，或者是其必要的輔件，也應(yīng)當列為ORU范圍。

4.2.2 ORU劃分范圍的原則

環(huán)控生保分系統(tǒng)ORU的劃分，必須滿足“四要求”：使用和維修安全、不影響功能實現(xiàn)、可拆裝、不會帶來新的可靠性薄弱環(huán)節(jié)；盡可能滿足的“三要求”：故障可隔離、使用壽命（維修頻率）一致、良好保障性。

由于不同的劃分方案形成的ORU質(zhì)量和RMS水平會有一定的差異。在劃分過程中，既要根據(jù)保障性水平優(yōu)化確定ORU顆粒度，又要滿足總體給定的安裝空間要求，在總體安裝尺寸不夠的情況下，是增強ORU的集成度還是提出新的空間反約束等，都需要進行綜合權(quán)衡。

4.2.3 ORU劃分決策

應(yīng)制定環(huán)控生保各子系統(tǒng)ORU初步劃分的邏輯決斷圖。首先根據(jù)環(huán)控生保分系統(tǒng)ORU選擇范圍的要求確定系統(tǒng)中需要拆修的各個單機，然后按照ORU的劃分原則和要求，遍歷進行ORU的組合劃分，保證系統(tǒng)劃分的ORU滿足ORU的各項要求，并覆蓋所確定的全部維修更換單機對象。

4.3 考慮維修的可靠性分配方法

環(huán)控生保分系統(tǒng)可靠性分配需要充分考慮多組合狀態(tài)、多工作模式、多任務(wù)階段以及可修系統(tǒng)的特點，從兩個層面展開。一是在可靠性建模過程中，通過提出“ORU集合的概念”，考慮各種維修方式和間隔期對可靠性的影響；二是在分配過程中，給出各個層次針對性的分配方法。

4.3.1 考慮維修的可靠性建模

各再生子系統(tǒng)的可靠性框圖中，每個以O(shè)RU名稱命名的方框并不代表一個單獨的ORU，它是基于維修保障策略的一種可靠性組合狀態(tài)—“ORU集合”，這種維修保障策略主要包括定期更換維修和偶然故障維修。這里定義包含定期更換維修和偶然故障維修的“ORU集合”為“一級ORU集合”，隨著可靠性分配的向下落實，由“一級ORU集合”進一步分配到只包含偶然故障維修的“ORU集合”，稱為“二級ORU集合”。

4.3.2 可靠性指標分配方法

（1）分配過程

對于環(huán)控生保分系統(tǒng)和其各個子系統(tǒng)來說，其使用過程中有大量的定期維修和偶然故障維修，這些維修過程基本保障了其失效率不會隨著時間的推移而發(fā)生明顯的變化，所以可以假定分系統(tǒng)和子系統(tǒng)壽命都服從指數(shù)分布，然后按照評分分配法進行可靠性分配。

得到各子系統(tǒng)的可靠性指標后，基于其可靠性框圖和數(shù)學模型，得到每個“一級ORU集合”的可靠性指標?；诿總€“一級ORU集合”具體的定期維修保障策略將可靠性指標分配到“二級ORU集合”?；趥浞輸?shù)量，將“二級ORU集合”可靠性指標分配到單個ORU產(chǎn)品的可靠性指標。

（2）可靠性評分方法

傳統(tǒng)的可靠性評分分配法一般采用復雜度、技術(shù)水平、工作時間和環(huán)境條件等評分因素。而對于環(huán)控生保分系統(tǒng)來說，僅以這4個評分因素顯然是不夠的。從維修性的角度來看，所需維修工時較少的ORU分配稍低的可靠性指標。從保障性的角度來看，越是難以保障的產(chǎn)品需要分配較低的可靠性指標，原因是形成高可靠性的“ORU”組合體花費的代價相對較大，而越是容易保障的產(chǎn)品可以分配較高的可靠性指標。

圖4 子系統(tǒng)→ORU可靠性分配

因此，環(huán)控生保分系統(tǒng)可靠性評分分配法的評分因素應(yīng)加上維修時間和保障條件，另外還需要額外統(tǒng)計考慮維修的可靠性分配中的重要參數(shù)：ORU更換周期。其中分系統(tǒng)→子系統(tǒng)的可靠性指標分配過程中，各個子系統(tǒng)不直接存在維修時間和保障條件等評分因素，所以分系統(tǒng)→子系統(tǒng)的可靠性指標分配評分因素仍為4個。

4.4 關(guān)鍵單機的長壽命設(shè)計

環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)中，多數(shù)單機的使用壽命都遠小于空間站的壽命要求，較短的壽命無疑會增加保障資源和維修負擔，因此要開展長壽命設(shè)計。環(huán)控生保分系統(tǒng)組成復雜，有些類型產(chǎn)品的長壽命設(shè)計技術(shù)本身還不成熟，在空間特殊環(huán)境對產(chǎn)品壽命的影響及機理方面，研究基礎(chǔ)較為薄弱。

開展單機的長壽命設(shè)計，需要根據(jù)環(huán)控生保分系統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力、工作應(yīng)力和可靠性分析結(jié)果，確定環(huán)控生保分系統(tǒng)的關(guān)鍵組部件，并以前期收集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，識別出經(jīng)過飛行試驗、地面試驗和仿真分析的對象，并采用不同的技術(shù)措施。對于技術(shù)狀態(tài)相對成熟的非再生子系統(tǒng)，已經(jīng)進行了多次飛行驗證，基本掌握了壽命和可靠性信息，可視情況開展壽命增長設(shè)計和試驗。對于新研產(chǎn)品，需要在研制過程中結(jié)合生產(chǎn)單位提供的相關(guān)壽命信息，開展系統(tǒng)的長壽命設(shè)計，如抗疲勞設(shè)計、防腐蝕設(shè)計、管路抗老化設(shè)計、防輻射設(shè)計、防老化設(shè)計和降額設(shè)計等，針對采用的設(shè)計措施進行仿真分析，并通過開展各類長壽命試驗進行驗證和評估，

4.4.1 消耗品的長壽命設(shè)計

消耗品的壽命主要取決于某種工作應(yīng)力下的損耗速度，有些時候也受到環(huán)境應(yīng)力的影響，應(yīng)通過敏感性分析、介質(zhì)材料優(yōu)選、制備工藝優(yōu)化等方式進行設(shè)計。比如對于再生CO2去除而言，需要突破長壽命CO、H2、CH4催化劑技術(shù)，主要技術(shù)措施包括選擇合適的載體材料、選擇合適的催化劑活性成分、優(yōu)化催化劑表征、制備工藝、建立催化劑加速壽命試驗評價系統(tǒng)等。而對于干燥床，為防止干燥劑材料在使用過程成產(chǎn)生的粉塵影響下游設(shè)備，在產(chǎn)品的進出口設(shè)置金屬過濾材料，同時吸附床則采用了容塵設(shè)計，有效提高吸附床的壽命。

4.4.2 機電類產(chǎn)品的長壽命設(shè)計

機械類產(chǎn)品包括回轉(zhuǎn)運動部件、各種閥門以及某些結(jié)構(gòu)件等，不同類型對象的設(shè)計方式有較大的差異，需要進行壽命短板和影響因素分析，得到易發(fā)生、較薄弱的故障模式，然后尋求針對性的解決策略，在提高可靠性的同時能夠延長壽命。

對于回轉(zhuǎn)類部件，需要突破長壽命軸承技術(shù)。通過選用高強度軸承材料、采用特殊研磨工藝提高接觸應(yīng)力、改善潤滑條件等方式進行解決。在航天微重力環(huán)境下，國外一般采用一次性稀油潤滑技術(shù)，保持架采用多孔材料，將聚合物樹脂或含棉纖維的樹脂經(jīng)特殊工藝壓制燒成型，最后將潤滑油壓入微孔材料內(nèi)制成。而保持架中潤滑油存在的散失或變質(zhì)問題使?jié)櫥芷诳s短，必須發(fā)展長壽命補充供油技術(shù)，需要在航天軸承的安裝部位設(shè)計供油系統(tǒng)，如儲油器、儲油箱及泵輔系統(tǒng)，利用控油技術(shù)使內(nèi)部的潤滑油緩慢流向軸承。

對于真空截止閥，需要突破高溫長壽命密封技術(shù)。真空截止閥工作介質(zhì)最高溫度超過200℃，高溫對密封材料的選取十分嚴格，并且溫度的變化引起材料的形變也會對密封效果及壽命造成影響，通常所用的材料都不能滿足要求。因此，真空截止閥的高溫長壽命密封技術(shù)是一大難點。需要科學選取密封材料，再進行高溫密封實驗確定。增加高溫密封的補償性措施，充分保障閥門的密封的可靠性。

對于重要結(jié)構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)安全性的角度出發(fā)，分析可能的各種損傷源，比如疲勞損傷、一般腐蝕和應(yīng)力腐蝕所造成的環(huán)境損傷等，開展損傷容限設(shè)計和安全壽命設(shè)計。

5 結(jié)論

針對空間站環(huán)控生保分系統(tǒng)長壽命、高可靠的需求，分析了并行開展環(huán)控生保分系統(tǒng)RMS設(shè)計工作的思路，提出了實施RMS的總體設(shè)計流程，并探討了RMS綜合權(quán)衡、ORU劃分、維修可靠性分配、可靠性和長壽命設(shè)計等方面的關(guān)鍵技術(shù)，旨在促進分系統(tǒng)RMS詳細設(shè)計工作開展，實現(xiàn)分系統(tǒng)功能、性能和RMS特性的綜合優(yōu)化。◇

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