載人航天器組合體航天員應急撤離流程設計

王志瑩 楊海峰 王悅 姜文彩 杜占超

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京 100094)

載人航天器組合體航天員應急撤離流程設計

王志瑩 楊海峰 王悅 姜文彩 杜占超

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京 100094)

駐留載人航天器組合體的航天員執行任務時,如果發生影響駐留安全的故障,應能保證航天員安全、及時撤離。為此,文章提出了一種基于常規飛行和飛控模式的應急撤離流程。通過對航天員應急撤離的故障模式及技術條件進行研究,面向安全狀態,將應急撤離流程量化為7個撤離項目。以發生載人環境異常故障為例,對撤離流程的應用進行分析。結果表明:文章提出的應急撤離流程,可以保證故障時地面飛行控制中心及時決策,實現航天員的安全撤離,能提高航天員長期在軌駐留時的安全性。

載人航天器組合體;航天員;應急撤離;故障模式;處置時間

1 引言

我國載人航天交會對接技術不斷發展[1],相繼成功完成了航天員短期駐留、中期駐留飛行任務。在載人交會對接任務中,航天員的生命安全至關重要。我國載人航天器在設計時采用了各種可靠性、安全性措施,其目的就是最大程度地保證航天員安全。當載人航天器以組合體(由追蹤飛行器和目標飛行器組成)形式飛行時,其工作模式及管理模式比獨立飛行時要復雜,當組合體發生影響航天員駐留安全的故障時,應能夠保證航天員安全、及時撤離。對于一次正常的載人飛行任務,通常按照等待發射、發射、交會、對接、組合體運行、撤離及返回著陸的任務規劃執行。本文的應急撤離,指的是航天員駐留組合體期間,一旦組合體發生故障,能立即中斷正常任務規劃的執行,通過采取應急處置措施保證航天員到達安全狀態的過程。

國外載人航天技術發展成熟,已實現了航天員在軌長期駐留,但目前無法檢索到載人航天器故障時駐留的航天員如何實施撤離。對于國內載人航天領域,因目前歷次任務的模式和目的不同,暫未形成通用化的航天員應急撤離流程。隨著國內載人航天技術的不斷發展,必將實現航天員長期在軌駐留,任務模式也將固化,因此,為了更好地保障航天員的在軌安全,應對航天員在載人航天器組合體故障時實施應急撤離的通用流程進行研究。本文以我國載人航天有人交會對接任務[2]為研究背景,基于常規飛行與飛控模式,對航天員長期在軌駐留組合體時如何在故障情況下實施安全撤離進行研究,提出了一種撤離項目及撤離時間量化的應急撤離流程,能合理安排航天員、組合體及地面飛行控制[3]之間的協同關系,可為提高航天員長期在軌駐留的安全性提供參考。

2 應急撤離流程

載人飛行任務通常是在特定的測控條件及飛控模式下完成的。載人航天器組合體運行期間,通常由地面測站和中繼衛星提供測控支持,充分利用中繼衛星的高覆蓋率優勢[4];飛控以地面控制為主,對組合體實施飛行狀態管理,包括確認組合體狀態、制定測控計劃、編制飛行程序及執行數據注入。當發生故障時,應急撤離的目的是在故障產生影響前使航天員到達安全狀態(故障發生時能夠保證航天員安全的飛行狀態),所以在有限的撤離時間內,測控條件及飛控模式將變成實施應急撤離的約束條件。故障模式決定了留給撤離的總時間;測控條件決定了對組合體執行處置措施的可用時間;飛控模式決定了如何完成應急天地協同。

應急撤離流程用于規定航天員(人)、追蹤飛行器(船)、目標飛行器(器)、地面控制(地)在應急撤離過程中需要執行的撤離項目及執行時機,其難點在于要統籌考慮航天員安全、地面控制、測控條件、撤離時間及組合體狀態,通過有效利用測控條件控制組合體飛行狀態,實現故障情況下及時撤離,保證航天員安全。

航天員駐留組合體時,導致應急撤離的故障模式主要包括載人環境[5]異常、推進系統泄漏故障和電源系統故障。不同的故障模式,其特性及變化趨勢不同,因此從故障發生至影響航天員安全的持續時間不同,把該持續時間定義為故障允許處置時間。在載人航天器研制階段,通過故障模式的影響分析及試驗驗證,能夠確定每種故障模式的故障允許處置時間。不同的故障造成載人航天器性能降級或功能喪失的程度不同,因此故障發生時能夠保證航天員安全的飛行狀態也不同,即安全狀態不同。安全狀態主要有以下幾種。

(1)組合體分離,該狀態下可實現與目標飛行器發生的故障隔離。

(2)追蹤飛行器艙段分離,該狀態下可實現追蹤飛行器將推進艙發生的故障隔離。

(3)追蹤飛行器返回著陸,該狀態下可實現航天員返回地面,等待救援。

應急撤離流程以達到安全狀態為目標,制定從故障發生至達到安全狀態時人、船、器、地的撤離項目及協同關系。對于測控區外發生直接影響航天員安全的故障(如駐留艙段失壓),由航天員自主決策實施撤離準備,當組合體進入測控區后轉為地面決策進行后續處置;故障發生在測控區內時,由地面決策進行處置。因為達到不同安全狀態需要采取的處置措施不同,所以對于經過較簡單處置能達到的安全狀態,應急撤離包含的撤離項目少;而對于經過較復雜處置能達到的安全狀態,應急撤離包含的撤離項目多。參考載人交會對接任務常規飛行和飛控模式,共設計7個應急撤離項目,故障發生后根據嚴酷程度從7個項目中選擇必要的項目實施撤離。應急撤離流程見圖1,其中包括的應急撤離項目如下。

1)地面確認組合體狀態

組合體進入測控區后,地面通過遙測數據與航天員溝通確認組合體工作狀態,若組合體狀態存在異常,地面通過分析故障數據確定故障模式及故障發生的時刻。確定故障模式,即可確定故障允許處置時間(記為Tmax)及對應的安全狀態;確定故障發生的時刻,即可計算故障發生在測控區外的時間(記為Tout)。在完成狀態確認后,可以得到應急撤離有效時間為Tmax-Tout,應急撤離工作需要在該時間內完成才能保證航天員安全撤離。

地面確認組合體狀態時,若發現航天員在測控區外決策并成功實施了應急撤離準備,則進入測控區后繼續未完成的工作,測控區外航天員完成的操作不占用應急撤離有效時間;進入測控區后,航天員繼續執行的操作,可以同其他撤離項目并行開展,同樣不占用應急撤離有效時間。航天員應急撤離準備工作的內容包括完成組合體內物品撤收、狀態設置及關閉艙門等操作。

地面確認組合體狀態是所有故障模式下實施應急撤離的第1項,其他項目將根據安全狀態不同適當選擇。規定地面完成確認組合體狀態的時間為T1。

2)地面制定飛行程序

當應急撤離要改變組合體飛行狀態時,地面根據安全狀態編制飛行程序[6],并進行飛行程序的校核及會簽,用于保證飛行程序的正確性及有效性。規定地面制定飛行程序的時間為T2。

3)地面等待測控區

由于不具備100%測控覆蓋率,在地面完成制定飛行程序后,可能要等待測控區執行飛行程序注入。將等待測控區的時間記為TN,該時間由組合體測控條件決定,等待時間小于最長不在測控區的時間。

4)地面注入飛行程序

在組合體進入測控區后,地面實施注入飛行程序。規定地面注入飛行程序的時間為T3。

5)實施組合體分離

當應急撤離安全狀態需要組合體分離時,地面制定的飛行程序中包含組合體分離指令。組合體分離通常受測控條件、光照條件等約束,因此,組合體要等待至滿足分離條件時執行分離指令,該等待時間記為t。組合體在分離時刻到來時即執行剛性連接解鎖[7],解鎖時間為TF0,該時間由載人航天器設計狀態決定,解鎖后組合體實現分離。實施組合體分離的總時間為t+TF0。

6)實施追蹤飛行器艙段分離

當應急撤離安全狀態需要追蹤飛行器艙段分離時,組合體分離后,追蹤飛行器繼續執行飛行程序,撤離至安全距離時實施艙段分離,從組合體分離至追蹤飛行器艙段分離所需時間為TF1,該時間由追蹤飛行器設計狀態決定。

7)實施追蹤飛行器返回[8]

當應急撤離安全狀態需要追蹤飛行器返回時,追蹤飛行器艙段分離后繼續執行飛行程序,直至再入并著陸。追蹤飛行器返回所需時間為TF2,該時間由追蹤飛行器設計狀態決定。

圖1中的應急撤離流程,反映了在一定測控條件下,實施航天員決策撤離或地面決策撤離時人、船、器、地的撤離項目及協同關系。依據本流程,可確定安全狀態,并按照流程中規定的撤離項目和撤離時間完成撤離。其中:T1,T2,T3是確定的時間,由飛控模式決定;TF0,TF1,TF2是確定的時間,由載人航天器設計決定;TN和t是不確定的時間,與測控條件有關。因此,在實施應急撤離時,應合理選擇測控區以實施飛行程序注入,從而減小等待測控區的時間TN;合理選擇組合體分離時刻,從而減小等待分離的時間t。總之,將應急撤離控制在最短時間內完成,以提高航天員撤離的安全性。

3 應用實例

針對嚴酷程度最高的載人環境異常故障模式,對如何應用應急撤離流程進行說明。當追蹤飛行器載人環境異常時,可能破壞常溫常壓的駐留環境,直接危及航天員駐留安全。因載人航天器所攜帶維持載人環境的資源有限,航天員應盡快返回地面以確保安全,此故障模式下應急撤離流程應用分析如下。

(1)地面在T1時間內進行組合體狀態確認,當確認已發生載人環境異常故障時,故障允許處置時間Tmax確定,根據測控區內下行的遙測數據計算故障發生在測控區外的時間Tout,得出留給應急撤離的有效時間為Tmax-Tout。

(2)按應急撤離流程執行地面制定飛行程序(T2)、地面等待測控區(TN)、地面注入飛行程序(T3)、實施組合體分離(t+TF0)、實施追蹤飛行器艙段分離(TF1)及實施追蹤飛行器返回(TF2),應急撤離總時間為T2+TN+T3+t+TF0+TF1+TF2。

(3)為實現航天員在故障允許處置時間內能安全撤離,要保證T1+T2+TN+T3+t+TF0+TF1+TF2＜Tmax-Tout,即必須在應急撤離有效時間內完成各撤離項目。因為T1,T2,T3,TF0,TF1,TF2為確定的時間,所以只要保證TN+t＜(Tmax-Tout)-(T1+T2+TN+T3+t+TF0+TF1+TF2)即可。通過選擇在最近的測控區或在多個測控區分批注入飛行程序,將分離時刻選擇在分離窗口的前沿,把TN+t控制在滿足撤離要求的范圍內,實現航天員的安全撤離。

綜上所述,本文提出的航天員應急撤離流程,實現了撤離項目及撤離時間的量化,可以保證組合體故障時地面能夠立即根據測控條件及飛行狀態作出決策并進行處置,通過合理安排應急撤離流程及分配撤離時間,實現在人、船、器、地協同下航天員的安全撤離。

4 結束語

本文以載人航天任務為研究背景,針對載人航天器組合體出現故障影響航天員駐留安全的情況,對航天員應急撤離的安全性及約束條件進行分析,提出了一種基于常規飛行與飛控模式的通用化應急撤離流程,可作為技術方案應用于載人航天器長期在軌運行管理,保證航天員長期在軌駐留的安全性。面向于未來載人航天技術的不斷發展,下一步將要研究各種飛控故障模式下的撤離流程,以及非常規飛行撤離對應的撤離流程。

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Design of Flow for Astronauts’Emergency Evacuation in Manned Spacecraft Combination

WANG Zhiying YANG Haifeng WANG Yue JIANG Wencai DU Zhanchao
(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

When astronauts inhabit in manned spacecraft combination,the malfunction of the combination may happen.In order to insure the astronauts’safety and quick evacuation,an emergency evacuation flow based on flight scheme and flight control mode is proposed.The failure modes and technical conditions of astronauts’emergency evacuation are studied,then the emergency evacuation flow based on safety state indicates seven evacuation items.Taking the manned environment failure for example,the emergency evacuation flow application is analyzed.The results show that the ground flight control center can make a timely decision by using the emergency evacuation flow,and then the astronauts can finally achieve a safe state.The emergency evacuation flow proposed can assure astronauts’long-term inhabitancy safety.

manned spacecraft combination;astronaut;emergency evacuation;malfunction mode;time of disposition

V476

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.004

2017-07-21;

2017-09-19

國家重大科技專項工程

王志瑩,男,碩士,工程師,從事載人航天器總體設計工作。Email:wzy-peanut@163.com。

(編輯:夏光)