载人航天器在轨维修性系统设计

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2010年10月第5期载人航天器在轨维修性系统设计王大鹏谭春林张柏楠(中国空间技术研究院，北京100094)摘要针对栽人航天器在轨维修的特殊性，提出了适用于栽人航天器系统设计的维修性设计思想。根据维修性设计理论和工程设计的实际需求，建立了栽人航天器维修性系统设计流程，给出了维修性系统指标的确定方法、在轨可更换设备的选择方法、以及维修性分配和预计方法。为栽人航天器系统维修性设计提供了一个技术途径。关键词维修性在轨可更换设备系统设计栽人航天器1引言维修

2、性是产品的设计属性之一，这个属性是用来衡量具备一定维修技能的维修人员，经过规定的维修过程和使用规定的维修资源，在一个规定的维修水平将设备保持或恢复到一个设定状态的能力[1J。维修性设计是载人航天器(例如空间站)设计的重要方面，是保证航天员在轨安全、载人航天器正常运行、以及优化载人航天器设计的关键环节。载人航天器在轨维修是指通过航天员在轨对载人航天器进行维修，达到载人航天器系统在寿命、可用度等方面的指标要求。俄罗斯对“和平号”空间站(MirSpaceStation)实施在轨维修将其设计寿命由5年提高到15年。因此，研究载人航天器

3、在轨维修性设计方法具有重要的应用价值。载人航天器系统维修性设计指标的确定、分配、预计、以及在轨维修设备的确定决定了载人航天器系统方案的合理性和可实施性。与地面维修相比，在轨维修活动受到空间环境、运行模式、航天员能力、上行能力、安全性要求、舱外活动能力等因素的制约，因此，针对地面维修的维修性设计思路、要求、以及设计规范不能满足在轨维修的要求。目前，只有少数国家通过对在轨维修数据的统计分析，开展了载人航天器在轨维修性设计的研究和实践；我国当前在缺乏在轨维修数据和实践的条件下，急需提出既满足设计要求，又符合工程实施条件的维修性设计思

4、路和方法。2维修性系统设计流程为了减少实施在轨维修任务的危险性，并提高航天员在轨时间的利用率，载人航天器维修性设计思想为：在设计约束允许的条件下，将载人航天器需要在轨维修的设备设计成在轨可更换设备(OrbitalReplaceableUnits，ORU)，进而航天员可实施基层级维修，即：对故障设备通过更换的方式进行在轨维修。载人航天器维修性系统设计的内容主要包括如下方面：1)明确反映设计要求的维修性系统指标；2)确定反映载人航天器系统设计方案的在轨维修设备；3)根据载人航天器系统设计方案，开展维修性系统指标的分配和预计、以及验

5、证和评估。牧稿日期I2009—1I-26。收修改稿日期：2010—02—08!!!!生!!旦生垦窒!鱼型堂蕉查!Z维修性验证和评估的方法可借鉴、参考针对地面维修的相关方法心]，在本文不作为研究重点。在缺乏维修性设计经验和设计参考的情况下，根据维修性分析理论、在轨维修约束因素、以及载人航天器系统设计方案，维修性系统设计是个迭代的过程，如图1所示，其基本思路如下：1)首先根据可靠性数据、系统设计方案、以及设计经验，初步确定载人航天器寿命期内需要在轨维修的设备。2)根据设备的故障模式分析(FailureModesandEffects

6、Analysis，FMEA)，确定设备的失效模式和危害等级，基于维修性分析方法确定设备的维修方式，即：预防性维修(PreventiveMainte—nance)、修复性维修(CorrectiveMaintenance)。3)满足在轨维修约束条件的前提下(例如上行单个设备的尺寸限制)，通过ORU选择流程，进一步确定维修设备中ORU设备的数量，并更新设备的维修方式。4)根据设备的可靠性数据和工作特点，计算载人航天器系统内修复性维修设备的平均失效率A和预防性维修设备的平均预防性维修频率．厂。5)根据第4步计算得出的A和，，以及航天员

7、在轨可分配维修时间等约束因素，计算载人航天器维修性系统指标，即平均维修时间M；计算载人航天器系统可用度，若可用度低于设计要求，调整航天员在轨时间分配或提高系统可靠性设计。6)根据维修性理论，计算载人航天器系统平均预防性维修时间M。。。7)计算载人航天器系统平均修复性维修时间M。，并逐级分配到各系统和设备。8)根据维修时间统计数据库，对各设备维修时间进行预计。若预计维修时间大于分配的维修时间，可通过调整指标分配、提高可靠性设计或改进设计方案的途径使预计值不大于分配值；否则结束载人航天器维修性系统设计。在轨维修时间统计数据库初步／

8、重新确定在轨维修设备进行RCM分析，确定维修方式选择ORU设备计算载人航天器平均失效率、预防性维修频率计算载人航天器平均预防性维修时间计算载人航天器平均修复性维修时间并分配结束进行设备维修时间预计维修性设计约束条件计算维修性系统指标调整系统指标或重新分配或提高可靠性设计或改进