攻破风控技术新难题 助力中国载人航天梦

文/胡月

“探索浩瀚宇宙、发展航天事业、建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。”2021年6月17日,搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭,在酒泉卫星发射中心点火发射,这是我国载人航天工程立项实施以来的第19次飞行任务,也是中国空间站阶段的首次载人飞行任务,标志着中国航天员常驻太空的时代已经到来。中国载人航天器工程已经进入了空间站时代,多航天器在轨定期交会对接已经成为常态,但是研制过程中需要克服从单个卫星、飞船研制到多航天器在轨建造的难题,巨大的技术跨越给风险识别与管控带来新的挑战。

八年来,周昊澄博士先后在真空技术与物理国防科技重点实验室、北京空间技术研制试验中心(原载人航天总体部)、北京空间飞行器总体设计部从事中国空间站的研制工作,并作为系统总体岗全程参加了空间站核心舱发射任务、空间站核心舱发射前的所有大型试验和联试任务。周昊澄博士攻克了组合体航天器小子样风险评估、组合体航天器融合性设计、等离子体充放电效应防护等难题,参与完成的“超大型载人多航天器在轨组装建造的系统性管理”获第二十七届全国企业管理现代化创新成果一等奖,“空间站‘太空母港’共轨飞行应用模式研究”获航天五院优秀课题,2020年获航天五院杰出青年基金支持。为我国空间站研制和组合体航天器风险管控的理论研究做出突出贡献。

抓住重点下猛药 静态动态相结合

在设计初期就控制风险,加强可靠性设计和验证,提升本质可靠性,对于地面研制期间的设计、仿真、试验方法进行优化。加强风险涉及的关键产品进行过程控制,严把质量关,通过“十新”(新技术、新材料、新工艺、新状态、新环境、新设备、新单位、新岗位、新人员、新流程)再识别;确定关键项目,对关键项目设置强制检验点;生产过程留记录,生成数据包;过程中发生的质量问题执行“双五条”归零标准。

针对复杂航天器风险识别不全面的难题,周昊澄博士提出了基于静态故障分析和动态飞行事件保证链相结合的二维风险识别方法,对超大型载人航天器从发射开始至末期离轨段飞行事件进行全系统、全过程、全时段的风险分析,覆盖主要功能系统的每个动作、每条指令、每项事件与具体保证措施的传递、链接关系,成功地实现了系统全覆盖、过程无间断、时段有衔接。

静态故障分析先自下而上分析,通过对故障的回想和预想分析故障原因,把每一个故障模式按其影响的严重程度予以分类、采取防范措施避免故障发生。再自上而下图形演绎,以特定的故障状态为目标层层深入的描述系统内部各种事件的因果关系,找出引起系统失效的各种故障组合采取相应的防范措施。

动态故障分析是将飞行任务分为不同的飞行阶段明确主事件、子事件及动作将每个事件和动作的责任主体分级管理,识别因关键功能和关键单机失效导致的系统风险,找到系统的薄弱环节,聚焦风险事件,落实责任到人。

当超大型载人航天器在轨发生不可控的重大事故导致姿态失控,由飞船来接替组合体控制。在太空中航天器一段出现危及航天员生命安全的重大事故时,航天器将立刻进入紧急撤离状态,在5分钟内安全撤离至载人飞船,实施的安全撤离。通过来访飞船接管组合体以解决对重大风险的方法,已达到了国际领先水平。

形成系统化评估体系 提高载人航天安全性

想要保证载人航天中航天员和航天器的安全,进行风险评估和风险控制是至关重要的,这也是周昊澄博士一直努力的方向。为实现系统上的统一和功能上的提升,在地面试验和飞行方案过程中,周昊澄博士提出必须提前充分识别安全隐患,制定有效的故障预案,采取有力的组织方式保证;对于采用新技术的风险识别要到位,地面试验要充分,对新技术可能带来的系统性风险要吃透,安全性措施设计要到位。

他们首先提出了通用化的载人航天器概率风险评估分析方法,即针对空间实验室和空间站全任务周期的风险管控需求,将组合体航天器风险评估工作分为:综合论证与方案阶段评估、研制生产阶段评估、组建阶段评估与运营阶段评估4个阶段。根据不同阶段的特点、信息量、评估目的与实施重点等因素的不同,给出了各阶段风险分析与评价的建议。针对载人航天器小子样的特点,通过以相对代替绝对的分析方法,简化了可靠性与重要度的计算过程,最大限度避免了不确定性对系统风险评估结果带来的影响,攻克了组合体航天器小子样风险评估难题。周昊澄博士及其团队研发的载人航天器在轨可更换单元识别方法与流程,综合考虑了在轨维修单元对安全性、可靠性、维修性、测试性和保障性等方面的要求和影响,从而达到在保证系统安全的基础上,实现快速便捷更换单元,并且减少维修保障资源的目的。

周昊澄与第二届青托冯韶伟(右一)在空间站核心舱发射任务时合影

组合体航天器降级重构 覆盖全部关键功能障碍

周昊澄博士提出了组合体航天器融合性设计方法,即针对空间站多舱融合性设计特点,分析了应用融合性设计前后冗余结构的变化,找到了系统的薄弱环节和最佳融合点;提出通过融合性设计提升系统薄弱环节的风险控制方法,攻克了组合体航天器融合性设计难题,提升了组合体航天器各舱段间的融合程度,避免了过度冗余的发生。

组合体航天器具有高投入、高可靠、小子样的工程特点,为解决组合体航天器设计阶段风险评估工作中遇到的试验及在轨数据不足的难题。周昊澄博士以“天宫”空间实验室风险识别与控制技术为基础,对组合体航天器风险识别与控制方法的分阶段应用提出建议。针对组合体航天器的重要风险和特性提出了相对风险识别法,以相对代替绝对从相对风险的角度对组合体航天器重大风险进行识别,有效解决了组合体航天器风险识别结果不确定度过大的问题。目前,该方法已在空间站的风险评估工作中应用,后续可推广至载人登月工程和载人深空探测工程。

112706947A—组合体航天器系统级重构方法,通过对于故障的分析,针对不同的故障采用不同的重构方案,针对性强,故障处理速度快。重构后航天器任务可以持续实施,做到隔离故障,阻止故障蔓延,确保航天器平台完全。同时该发明的方法重构操作项目及影响能够最小化,而重构涉及覆盖了平台全部关键功能故障。采用可重构安全模式的在轨风险控制措施,当关键参数达到不同的预置阈值时,逐级阻断风险的传播路径,对航天器功能进行降级重构,实现自主处置结果最优化、解决风险处置随机性与平台任务连续性的难题。目前,该方法已在空间站的风险控制工作中得到应用,在轨验证后可推广至载人登月工程和载人深空探测工程。

主动电位控制技术 保障延长空间站寿命

空间站的建设是中国载人航天工程“三步走”的最终目标,需经历在轨组装建造过程在轨运营十年以上,系统复杂、研制周期跨度大、可靠性要求高。

周昊澄博士还与科研团队共同研究了空间站寿命保障和延长方法与流程,并获得发明专利。中国空间站在轨运营寿命为十年,期间航天员将出舱对空间站进行维护。空间等离子体充放电效应是影响航天员出舱活动安全的重要因素。周昊澄博士通过充分调研和仿真计算得到了准确的等离子体充放电效应的危害程度及影响范围,并基于空间电推进技术提出了主动电位控制技术的系统级应用方法。

该方法结合空间站对象,从寿命特征入手,提出了长寿命保障策略,已在空间站核心舱上应用,待发射后在轨验证。同时,周昊澄博士还分析了空间站延寿存在的风险,有针对性地提出了解决途径。主动电位控制技术的在轨应用方法,即以空间站运营阶段航天员出舱活动任务为牵引,在国内首次分析了空间等离子体对大型载人航天器航天员出舱活动的风险影响,首次提出航天器外等离子体壳层厚度的计算方法并计算;建立了以主动静电防护代替被动静电防护的设计方法,解决了等离子体充放电效应防护的难题,确保了空间站运营阶段航天员出舱活动的生命安全,提升了我国载人航天器空间环境防护水平。主动电位控制技术可以将传统的空间等离子体防护措施从被动防护升级为主动防护,确保航天员出舱和大型航天器交会对接任务的顺利完成。

“星空浩瀚无比,探索永无止境。”周昊澄博士始终把航天员的生命安全放到第一位,以把航天员的家搬上太空为己任。即使如林大敌、如林深渊,也一直潜心钻研风险识别和控制技术,为航天员和载人航天器的安全保驾护航,为中国航天事业做出自己的贡献。中国航空航天技术领域的科研工作者们,即使面临着前所未有的挑战,也仍然在奋力探索,砥砺前行,努力为实现中国航天梦添砖加瓦。