載人航天器應急飛行方案庫構建方法

楊勝 王曦 李蒙

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

載人空間站在軌運行所需的人員輪換、物資補給，主要由載人飛船和貨運飛船等天地往返運輸航天器承擔[1]。當載人航天器在軌出現故障導致部分系統功能降級或失效時，不能繼續按照正常飛行模式飛行，要進入應急飛行模式，按照預先設計的應急飛行方案飛行，以盡可能完成既定飛行任務，并確保航天員的安全[2]。例如，若飛船入軌后出現“太陽電池翼單翼未展開”故障，經處置無效后只有單翼展開，導致整船供電能力下降約50%，只能進入應急飛行模式，按照應急飛行方案繼續飛行任務。因此，應急飛行方案設計是實現載人航天器“一度故障工作、二度故障安全”高可靠、高安全要求的重要保證。

國外對載人航天器開展了應急飛行方案設計和研究工作，以確保飛行任務成功。以俄羅斯聯盟TMA載人飛船為例，它具備6 h快速交會對接和2天常規交會對接能力[3-4]，在執行快速交會對接時將常規交會對接飛行方案作為應急飛行方案。2014年3月26日，聯盟TMA-12M載人飛船執行向“國際空間站”運送航天員任務，在按6 h快速對接模式飛行時定位系統出現故障。經故障處置后進入推遲對接應急飛行模式，于3月28日成功與“國際空間站”對接，這是應急飛行方案成功應用的典型案例。但是，目前尚無法檢索到國外載人航天器應急飛行方案的具體設計方法。對于國內載人航天領域，在歷次任務中，均根據不同的任務目的和特點設計相應的應急飛行方案[5-8]，暫未形成通用化的設計方法。目前，我國載人航天工程已全面進入空間站階段，應對載人航天器應急飛行方案的通用設計方法進行研究，更好地保障飛行任務的完成和航天員的安全。

本文提出了一種基于識別矩陣的應急飛行方案庫構建方法，明確了以故障模式為線索的應急飛行模式識別方法和相應的應急飛行方案設計原則，以確保選擇的應急飛行方案能保障航天員的安全，并盡可能完成既定的飛行任務。以天舟一號貨運飛船為例，闡述基于識別矩陣的應急飛行方案庫構建與應用過程。本文的研究思路和成果，也可推廣應用于其他航天器的應急飛行方案設計。

1 基于識別矩陣的應急飛行方案庫

載人航天飛行任務通常是在追蹤飛行器、目標飛行器、航天員、地面測控系統等多方協同配合下完成的，載人航天器自身或與其他大系統接口故障，均可能導致其系統功能降級或失效。不同的故障模式，導致載人航天器系統功能降級或失效的程度不同，因此故障發生后載人航天器的飛行狀態不同，也即進入的應急飛行模式不同。載人航天器全部的應急飛行模式及對應的應急飛行方案，構成應急飛行方案庫，飛行控制過程中最終選定的應急飛行方案與其進入的應急飛行模式對應。因此，首先必須準確、全面地識別應急飛行模式，再根據不同的應急飛行模式確定針對性的應急飛行方案。

應急飛行方案的確定過程，是一個從“故障模式”到“應急飛行模式”再到“應急飛行方案”逐步收斂的過程，如圖1所示。其中，故障模式識別和故障預案制定，主要是通過載人航天器系統級故障模式影響分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)等方法分析故障模式，并針對有在軌補償措施的故障模式制定故障預案，具體可參考文獻[5，9]，本文不展開介紹。應急飛行模式的識別，采用基于識別矩陣的方法，綜合考慮功能和時間兩個維度，以確保預先設計的應急飛行方案能夠覆蓋載人航天器全部系統功能故障和整個飛行過程。

1.1 建立應急飛行模式識別矩陣

為確保應急飛行模式識別的準確性和全面性，本文以載人航天器故障模式為線索，通過故障發生的飛行階段、涉及的系統功能、按照故障預案處置后對系統功能的影響、能否繼續按照正常飛行方案飛行、對任務目標的影響等分析要素，進行應急飛行模式識別，建立識別矩陣(如表1所示)。

表1 應急飛行模式識別矩陣Table 1 Identified matrix of emergency flight modes

(1)故障模式。對載人航天器所有故障模式逐一進行分析、識別，包括載人航天器自身故障和影響載人航天器飛行狀態的大系統接口故障，如運載火箭入軌軌道過低、目標飛行器姿態失控等。

(2)飛行階段。明確故障模式所發生的飛行階段。飛行階段是根據載人航天器飛行任務規劃和自身功能特點人為劃分的，如發射段、交會對接段、組合體段等。故障模式可能發生在某個或多個飛行階段。

(3)系統功能。明確故障模式所涉及的系統功能。載人航天器系統功能可分為基本功能和任務功能。載人航天器在預定軌道上運行所必備的功能，稱為基本功能，如姿態軌道控制、供配電等；載人航天器完成工程總體或用戶的任務目標所必備的功能，稱為任務功能，如交會對接、組合體停靠、推進劑補加等。

(4)按故障預案處置后對系統功能的影響。明確按故障預案處置后對系統功能的影響，包括“恢復”、“降級”和“失效”。若按照故障預案處置后故障消失，則對系統功能的影響為“恢復”；若處置后故障被隔離，系統功能部分喪失，則對系統功能的影響為“降級”；若處置后故障仍存在，系統功能全部喪失，則對系統功能的影響為“失效”。

(5)能否繼續按照正常飛行方案飛行。根據故障處置后對系統功能的影響，判斷能否繼續按照正常飛行方案飛行，包括“是”和“否”2種情況。故障處置后系統功能恢復，通常能夠繼續按照正常飛行方案飛行；故障處置后系統功能降級或失效，通常不能繼續按照正常飛行方案飛行，此時識別為應急飛行模式。需要說明的是，由于載人航天器交會對接飛行具有嚴格的時序約束，往往在發生故障后，即使系統功能恢復，也不能繼續按照正常飛行方案飛行。

(6)對任務目標的影響。明確應急飛行模式下對任務目標的影響，包括“繼續”、“降級”和“取消”。應急飛行模式下，部分系統功能降級或失效，但可以完成既定任務目標(如交會對接、推進劑補加等)，則影響為“繼續”；應急飛行模式下，部分系統功能降級或失效，只能完成部分既定任務目標，則影響為“降級”；應急飛行模式下，部分系統功能降級或失效，無法完成既定任務目標，為確保航天員安全，需要應急返回，則影響為“取消”。

按照表1，對系統級故障模式逐一進行分析、識別，可確保從靜態和動態2個維度覆蓋載人航天器整個飛行階段和全部系統功能。為便于應急飛行方案庫的構建，對識別出的應急飛行模式按照系統功能影響、飛行階段和對任務目標的影響進行分類、匯總，見表2。

表2 識別出的應急飛行模式匯總Table 2 Summary of identified emergency flight modes

注：填寫格式為“對任務目標的影響+應急飛行模式數”，無應急飛行模式時，用“/”表示。

1.2 設計應急飛行方案

針對每種應急飛行模式，都應預先設計對應的應急飛行方案，形成應急飛行方案庫，便于飛行控制過程中快速決策實施。

1)設計原則

應急飛行方案應遵循以下設計原則。①全面性原則：對識別出的應急飛行模式，均有相應的應急飛行方案，以確保載人航天器在軌出現故障進入應急飛行模式后均能以確定的狀態飛行，繼續任務或取消任務。②歸一化原則：同一系統功能在不同飛行階段的應急飛行模式，應盡可能對應同一種應急飛行方案，對飛行任務目標影響相同的應急飛行模式，應盡量對應同一種應急飛行方案，以減少應急飛行方案數，便于地面測試覆蓋全面，也便于飛行控制過程中快速決策實施。

2)一般設計方法

應急飛行方案應圍繞應急飛行模式匯總(見表2)進行設計，主要考慮系統功能異常(降級或失效)情況下，如何使載人航天器以確定的飛行狀態繼續任務、完成部分任務或取消任務。一般設計方法為：①對影響航天員安全的系統功能(如熱管理功能)異常，應取消任務，實施航天員應急撤離[7]或自主應急返回[9]。②對影響載人航天器平臺安全的系統功能(如供配電功能)異常，應降低整器負載，再根據能量平衡情況繼續任務，或取消任務應急返回。③對影響完成既定任務的系統功能(如交會對接功能)異常，應盡快切換至備份，以備份狀態繼續飛行任務。

在實際設計過程中，要在上述一般設計方法的基礎上，根據載人航天器自身的任務特點，設計具體的應急飛行方案。

3)命名原則

應急飛行方案通常按照“飛行階段+對系統功能的影響+對任務目標的影響”的形式命名，以便于飛行控制人員直觀地理解和掌握什么時候在什么情況下需要使用該應急飛行方案，以及清楚地了解使用后對任務的影響。同時，為方便使用，在確保沒有歧義的情況下，可以對飛行方案的名稱進行適當簡化。其中：一種應急飛行方案覆蓋同一系統功能在不同飛行階段的應急飛行模式時，飛行階段在名稱中可以省略；一種應急飛行方案覆蓋對飛行任務目標影響相同的應急飛行模式時，飛行階段和對系統功能的影響在名稱中均可省略。

2 在天舟一號貨運飛船中的應用

天舟貨運飛船是我國載人航天工程的重要組成部分，主要任務是為空間站運輸貨物和補加推進劑，并將空間站廢棄物帶回大氣層燒毀。首艘貨運飛船天舟一號在2017年4月20日成功發射，9月22日受控離軌，圓滿完成了飛行任務[10]。天舟一號貨運飛船應急飛行方案庫采用了基于識別矩陣的方法，具體過程如下。

1)識別應急飛行模式

以天舟一號貨運飛船故障預案中上百項故障模式為線索，建立應急飛行模式識別矩陣。針對每項故障模式，分析按故障預案處置后對系統功能的影響和對任務目標的影響，明確能否繼續按照正常飛行方案飛行。

以“太陽電池翼單翼未展開”、“太陽電池翼雙翼未展開”、“目標飛行器控制組合體姿態異常”3種典型故障模式為例，可覆蓋系統功能降級任務繼續、系統功能失效任務降級和系統功能失效任務取消3種典型應急飛行模式。建立應急飛行模式識別矩陣,如表3所示。其中：①當交會對接段出現“太陽電池翼單翼未展開”故障時，經故障處置無效，將導致整船供配電功能降級，不能按照正常飛行方案飛行，需要降低整船負載功率，繼續交會對接。②當交會對接段出現“太陽電池翼雙翼未展開”故障時，經故障處置無效，將導致整船供配電功能失效，不能按照正常飛行方案飛行，需要降低整船負載功率，取消交會對接，應急離軌。③當組合體段出現“目標飛行器控制組合體姿態異常”故障(大系統接口故障)時，經(目標飛行器)故障處置無效，將導致組合體停靠功能失效，不能按照正常飛行方案飛行，需要由貨運飛船控制組合體姿態，繼續組合體飛行。由于目標飛行器姿態控制異常，后續需要目標飛行器配合的任務(如繞飛)等無法進行，任務降級。

在應急飛行模式識別矩陣中，經故障處置后不能繼續按照正常飛行方案飛行的故障模式，均為應急飛行模式。按照系統功能、飛行階段和對任務目標的影響進行分類、匯總，天舟一號貨運飛船應急飛行模式約幾十項。舉例說明，在表3的基礎上，識別出“供配電功能降級繼續任務”、“供配電功能失效任務取消”、“組合體停靠功能失效任務降級”3項應急飛行模式，如表4所示。

2)應急飛行方案設計

按照應急飛行方案設計原則，分析、合并應急飛行模式，對應設計出天舟一號貨運飛船應急飛行方案十余項，形成應急飛行方案庫。舉例說明，在表4的基礎上，針對“供配電功能降級繼續任務”應急飛行模式，設計“降低整船負載繼續交會對接應急飛行方案”；針對“供配電功能失效任務取消”應急飛行模式，設計“降低整船負載取消交會對接應急離軌”應急飛行方案；針對“組合體停靠功能失效任務降級”應急飛行模式，設計“貨運飛船控制組合體”應急飛行方案。其中，“貨運飛船控制組合體”應急飛行方案，直接應用于天舟一號貨運飛船控制組合體在軌試驗方案設計，并經過了在軌驗證。控制精度滿足要求，達到了預期的試驗目的。

表3 天舟一號貨運飛船應急飛行模式識別矩陣(例)Table 3 Identified matrix of emergency flight modes for Tianzhou-1 cargo spaceship

表4 識別出的天舟一號貨運飛船應急飛行模式匯總(例)Table 4 Summary of identified emergency flightmodes for Tianzhou-1 cargo spaceship

3 結束語

本文以載人航天飛行任務為研究背景，針對載人航天器“一度故障工作、二度故障安全”的高可靠、高安全要求，提出了一種基于識別矩陣的應急飛行方案庫構建方法，可以從靜態和動態兩個維度覆蓋載人航天器全部系統功能和整個飛行過程。在載人航天器在軌出現故障進入應急飛行模式的情況下，按照相應的應急飛行方案，可確保航天員的安全，并盡可能完成既定飛行任務。面向未來載人航天自主化、智能化的發展趨勢，后續將研究載人航天器應急飛行方案在軌自主規劃方法。

參考文獻(References)

[1] 周建平.我國空間站工程總體構想[J].載人航天,2013,19(2)：1-10

Zhou Jianping. Chinese space station project overall vision [J]. Manned Spaceflight, 2013,19(2)：1-10 (in Chinese)

[2] 張蕊.交會對接故障情況與分析[J].國際太空,2011(5):8-14

Zhang Rui. Failure and analysis of rendezvous and docking [J]. Space International, 2011(5): 8-14 (in Chinese)

[3] Rafail Murtazin，Nikolay Petrov．Short profile for the human spacecraft Soyuz-TMA rendezvous mission to the ISS [J]． Acta Astronautica，2012，77：77-82

[4] Rafail Murtazin， Nikolay Petrov． Usage of pre-flight data in short rendezvous mission of Soyuz-TMA spacecraft [C]//Proceedings of the 63rd International Astronautical Congress. Paris： IAF， 2012: 1-7

[5] 于瀟,馬曉兵,茍仲秋.神舟飛船出艙活動故障模式和對策的設計與實踐[J].航天器工程,2010,19(6):56-60

Yu Xiao, Ma Xiaobing, Gou Zhongqiu. Failure mode and countermeasure design and implement for Shenzhou spaceship’s extravehicular activity [J]. Spacecraft Engineering, 2010, 19(6): 56-60 (in Chinese)

[6] 李智勇.天宮一號目標飛行器系統級自主安全設計[J].航天器環境工程,2011,28(6):525-528

Li Zhiyong. Design of systemic autonomous safety for Tiangong-I target spacecraft [J]. Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6): 525-528 (in Chinese)

[7] 王志瑩,楊海峰,王悅,等.載人航天器組合體航天員應急撤離流程設計[J].航天器工程,2017,26(5):23-27

Wang Zhiying, Yang Haifeng, Wang Yue, et al. Design of flow for astronauts emergency evacuation in manned spacecraft combination [J]. Spacecraft Engineering, 2017, 26(5): 23-27 (in Chinese)

[8] 張治國,劉新建,閆野.一種載人飛船自主應急返回模式設計[J].載人航天,2012,18(3):25-30

Zhang Zhiguo, Liu Xinjian, Yan Ye. A design of autono-mous emergency reentry for manned spacecraft [J]. Manned Spaceflight, 2012, 18(3): 25-30 (in Chinese)

[9] 劉志全，宮穎.航天產品FMEA工作有效性的思考[J].航天器工程,2011,20(1):142-146

Liu Zhiquan,Gong Ying. Consideration about the vali-dity of aerospace product FMEA [J]. Spacecraft Engineering, 2011,20(1):142-146 (in Chinese)

[10] Bai Mingsheng, Jin Yong, Yang Sheng, et al. Achie-vements and expectation of Tianzhou-1 cargo spaceship [C]//Proceedings of the 68th Ineternational Astronautical Conference. Paris： IAF， 2017: 1-5