空間站任務航天員在軌艙內維修能力分析及訓練設計

趙 靜，黃偉芬，田立平，張貴平，王焰磊，馬 廣，田 勇

(中國航天員科研訓練中心，北京100094)

1 引言

維修活動是指維持或修復一個零件或設備以達到特定條件所需要的所有行為[1]。 載人航天器在軌維修是指通過航天員在軌對載人航天器進行維修，達到載人航天器系統在壽命、可用度等方面的指標要求[2]。 從國外建造空間站的歷史經驗看，在軌維修是保證航天員在軌安全、空間站正?？煽窟\行、優化空間站設計、降低運營費用和延長空間站壽命的一種有效手段[3]。

俄羅斯禮炮6 號、7 號空間站上發生故障的主要集中在電源分系統、環控生保分系統、結構機構分系統和推進分系統。 發生的故障產品包括:太陽帆板、蓄電池、儲箱、過濾器、加熱器、密封圈、艙體、管路和對接機構等[4]。

和平號空間站航天員參與進行的艙外維修作業主要包括:交會對接故障、電力系統故障、艙門密封故障以及其他外部組件與設備故障。 艙內維修操作主要包括環控生保系統故障與維修(包括供氧系統故障、冷卻液泄漏、二氧化碳去除等)、供電系統故障與維修、密封性問題與維修、意外相撞事故與應急處理、計算機故障和維修等[5]。

國際空間站在軌組裝的6 年間(截至到2006年)，在軌運行2772 天，有人駐留2058 天，平均每年維修800 h，航天員工作1.9 h/天[4]。 其中美國艙和俄羅斯艙采用不同的維修方法。 俄羅斯艙以預防性維修為主，不能極大化發揮產品壽命能力，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(Reliability Centered Maintenance，RCM)方法，通過引進基于條件的維修理論，補充了單一基于時間維修的方式，從而大大延長了部分設備的壽命和維修間隔[6]。 以俄羅斯艙為例，2001 年～2006 年所發生的故障中，試驗及有效載荷研究設備故障占總故障的34%，空間站保障系統故障占26%，軟件故障占7%，乘員和地面人員維護操作失誤占33%[7]。 國際空間站出艙維修主要包括意外事件導致的維修(例如對接裝置O型橡膠圈阻塞物、有軌滑車與天線纏繞等)、外部設備或組件故障、電力系統故障、太空碎片碰撞、隔熱瓦維修等。 艙內維修主要包括環控生保系統故障維修(含水循環系統堵塞、大小便收集系統故障、制氧系統故障維修)、醫療設備故障維修、計算機維修、電力系統故障、艙內照明維修、人為失誤導致的故障維修等。

從國外空間站航天員在軌維修事例和經驗來看，在軌維修對象種類多、范圍廣，多數維修產品關鍵度高，其中艙門密封、環控系統、電力系統發生故障的概率大，在軌維修頻次高，并且維修時不僅僅是簡單地更換備件，涉及與可更換單元(Orbital Replaceable Units，ORU)相關的上下游管路、閥門、控制、信息等系統知識、邏輯判斷及狀態設置等，以上要求航天員能力全面、綜合能力強且具備較強的情景意識。

為滿足中國空間站長壽命設計要求，空間站系統總體及各分系統均進行了維修性設計，在軌維修也將成為航天員的主要任務之一。

2 中國空間站在軌維修策略

中國空間站為滿足長壽命要求，系統總體進行了專項維修設計，維修策略為:對于可在軌預測產品情況的采用預防性維修；對于在軌故障難以預測的突發故障采用修復性維修。 預防性維修主要包括耗損性產品、消耗性產品和需定期標定的產品等。 修復性維修主要為無耗損特性設備維修，多為電子產品，其故障現象可能隨機發生。 為提高航天員在軌時間的利用率，減少在軌維修操作復雜性，中國空間站在軌維修采用更換ORU 為主、ORU 內部維修為輔的方式。 根據維修設計，在軌維修可分為4 級:①Ⅰ級在軌維修:以維護為主，指使用一些簡單的診斷工具和手用工具對設備進行日常的維護，包括目視檢查、擦拭清潔、設備調整、潤滑、添加消耗性物品等；②Ⅱ級在軌維修:以更換ORU 為主，在軌維修主要任務是將故障檢測、定位到ORU，并進行更換；③Ⅲ級在軌修復:在備件不能及時供應的情況下，對部分ORU進行深一層次在軌修復，對艙體結構進行緊急堵漏等修復性維修操作也屬于Ⅲ級在軌修復；④Ⅳ級維修:在軌無法診斷故障，并且設備故障可能會造成批次性影響，考慮由載人飛船帶回地面進行分析研究，并修復故障，作為地面儲備備件[8]。為了有利于維修實施，維修設計對ORU 機電氣液接口等進行了統一和規范性要求，并配備了一套通用工具。

3 航天員維修能力定義與分析

3.1 航天員維修能力定義

從心理學視角認為能力有3 種分類:能力是一種潛能；能力是對知識技能的動態掌握；能力是一種個性心理特征[9]。 普通教育學認為能力是認知能力和智力[10]。 職業教育認為能力是與特定情境有關的職業能力[11-12]。 綜合各種能力概念解釋，本文定義航天員維修能力指能夠在軌完成飛行器維修活動的特定情境有關的職業能力，包括與維修過程相關的注意力、觀察力、記憶力、思維力、操作能力、溝通能力。 它一方面與具體的操作能力相關，另一方面要求有較強的情境意識，能利用所學的空間站專業技術知識來分析、判斷維修操作步驟的內在原理及維修結果。 航天員在軌維修具體的能力要素構成見表1。

3.2 維修元能力分析

在綜合職業能力概念中，元能力是聯系其他能力的橋梁，處于中心地位，它對整個能力的高低起著決定性作用[13]。 分析航天員在軌維修能力要素構成，注意力、觀察力、記憶力、想象力、思維力等智力因素以及溝通能力在其他訓練科目及任務需求中都有涉及，并且航天員都是經過層層選拔，具備優秀的基礎能力。 而與執行具體維修活動密切相關的是最終完成維修任務的關鍵能力，這應為航天員在軌維修能力的核心元能力。

對空間站各分系統不同種類ORU 維修步驟進行歸納總結，提煉出通用的、關重的作業為維修核心任務。 根據空間站ORU 維修手冊，航天員在軌完成一項維修工作，主要步驟包括:維修定位與診斷，維修操作臺固定安裝，取備件檢查狀態，供電或信息隔離確認，內飾板拆卸，佩戴防靜電手環，拆卸ORU，安裝備件，加電、確認狀態，內飾板安裝，存放故障產品，恢復艙內狀態等。 對操作步驟分解和分析，提煉出維修核心任務為維修定位與診斷的認知活動、維修工具使用、ORU 拆卸和安裝、內部板卡級維修的維修通用操作，相應地完成核心任務的關鍵能力為維修元能力。 維修定位與診斷是指能夠準確定位待維修產品；分析判斷維修影響域、維修操作關鍵點和危險點。 維修通用操作能力包括熟練使用維修工具、ORU 拆卸安裝、ORU 內部板卡級維修能力。 采用具體任務分析法，根據空間站維修設計，結合以往訓練經驗，分析維修核心任務對維修元能力具體要求，結果見表2。

航天員訓練時間有限，地面訓練時不可能也沒必要對空間站上千個ORU 一一訓練。 同時考慮到訓練模擬器配置的實用性和經濟性，模擬器也無法配置所有ORU 供航天員訓練。 提取的維修核心元能力涵蓋了所有維修核心任務的能力要求，覆蓋了維修設計中涉及到需要航天員操作所有機電氣液接口及工具使用，可以為訓練設計奠定基礎，以破解在有限的時間和保障條件情況下，訓練航天員具備在軌完成好各項維修的能力這一技術和實施難題。

表1 航天員在軌維修能力要素構成Table 1 0 n orbit maintenance capability elements of astronauts

表2 空間站維修核心任務分析及元能力要求Table 2 Core task analysis and meta capability requirements for space station maintenance

3.3 維修綜合能力分析

在具備各能力要素和元能力的基礎上，按照綜合職業能力觀，還需要具備一定的工作情景意識、對工作情景的理解力，來支撐在飛行器具體環境中完成維修任務。 對維修能力各要素的整合加上情景意識、在軌維修過程特殊習慣養成(例如工具防飄、ORU 固定、多余物收集等)是在軌維修應具備的綜合能力。

4 航天員維修能力生成途徑分析

能力形成過程本身分為3 個階段:基礎知識的建立階段，知識關聯階段和自治階段。 在自治階段，知識更具有邏輯性，可以激活知識基礎單元[11]。 映射到航天員維修能力訓練，需要進行維修設計、維修通用知識、基本技巧介紹等與維修相關的概括和功能知識培訓，以及空間站各分系統設計原理學習，并通過維修實踐和知識關聯，達到自治階段，以使航天員具備維修定位與診斷能力。

通用維修操作能力具體體現為操作技能。 操作技能形成包括操作定向、操作模仿、操作整合、操作熟練4 個階段。 在操作熟練階段，操作表現出高度的穩定性、精確性、靈活性，無多余動作，視覺范圍和注意范圍變廣。 大量實踐表明，完成操作的4 個階段，最終達到操作熟練程度，最有效的方式就是練習。 映射到維修訓練，需要設立維修操作技能訓練課程，在維修訓練臺上使用統一配套維修工具及組合方式進行ORU 機電氣液等相關接口操作、在模擬器內進行各類維修流程訓練，使航天員熟練掌握維修操作技能。

按照職業能力形成的情景觀，人的職業能力只能在真實的職業情景中通過實踐獲得。 情景學習與情景認知是建立在真實、有效的情景之上的，應創建基于工作的、模仿從業者真實活動的學習環境，以保證知識向真實情景的遷移[11，14]。 基于這些理論，維修訓練應安排在空間站真實艙內相似環境中才有效果，這些環境因素包括周圍限位環境、光照環境、狹小空間操作環境等。 分析選取典型、關重的ORU 在模擬器內進行全流程訓練，并根據技能遷移理論分析其他相似ORU 操作流程是否能夠覆蓋。 需要說明的是技能遷移包括正向遷移和負向遷移，其中操作對象和操作環境相似度越高，越有利于正向遷移，強化訓練效果，反之則會導致負向遷移、影響訓練效果。 這就要求無論是進行模擬器研制、還是典型ORU 選取，都應充分考慮模擬環境的真實性和相似性。

根據以上分析以及以往歷次型號任務航天員訓練經驗，航天員維修能力生成途徑應包括維修相關的定向和概括知識學習、維修通用操作能力訓練、在飛行器逼真模擬器或真實飛行器內的典型ORU 維修流程訓練。 另外維修情景意識、維修操作習慣也需要在模擬器或真實飛行器內進行一定量的訓練才能建立和養成。

5 航天員維修訓練設計

維修訓練設計緊緊圍繞使航天員具備執行空間站維修任務的能力這一訓練目標，結合空間站維修設計技術狀態、航天員維修能力要素構成、元能力和綜合能力及生成途徑分析、航天員訓練要求以及以往訓練經驗，科學進行訓練原則確定、訓練課程設計、訓練方法設計，構成維修專項航天員訓練體系，如圖1 所示。 依據訓練原則，按照一定訓練方法實施訓練課程，最終達到訓練目標。 依據該訓練設計，對航天員參加工效學評價和人-站聯試實施了部分維修項目培訓，培訓達到了良好效果。

圖1 空間站任務航天員維修專項訓練體系Fig.1 Astronaut maintenance specific training system for space station mission

5.1 訓練原則

航天員訓練須滿足一致性、覆蓋性和有效性要求，才能確保航天員在軌操作準確無誤、順利完成飛行任務。 航天員維修專項訓練應遵循以下原則:

1)元能力訓練覆蓋性原則:①維修定位與診斷能力包括使航天員掌握維修專項知識設計、維修涉及的機電氣液基礎知識、空間站設計原理等；②艙內通用工具操作訓練覆蓋性包括通過訓練能夠熟練掌握艙內通用工具使用方法、各種工具靈活組合使用等；③維修操作接口操作訓練覆蓋性包括覆蓋所有在軌維修涉及到的機電氣液接口、熱接口等各種接口拆卸、安裝、插拔、斷接等操作；④整機更換ORU 類型覆蓋性包括受訓練時間和資源限制，不可能在短時間內對所有ORU 進行全流程訓練，因此按照操作界面、ORU 屬性、操作流程等梳理在軌維修ORU 類型，每種類型至少覆蓋一個維修全流程訓練；⑤板卡級維修類型覆蓋性包括訓練要覆蓋到空間站任務所有類型的板卡級維修操作。

2)關重性原則:對于在軌有備件、在軌發生故障需要緊急維修、維修時間有嚴格要求的關重產品，訓練做到產品和全流程覆蓋。

3)針對性原則:對于在軌沒有備件的產品發生故障、并確定由下一個乘組進行維修的產品，則針對該乘組進行該項維修全流程訓練。

5.2 訓練課程設計

根據航天員維修能力構成要素及生成途徑剖析，結合航天員訓練要求，空間站任務維修專項航天員訓練應包括3 個訓練科目，包括維修定向知識理論培訓、維修通用操作能力訓練、維修全流程訓練，其具體訓練內容見表3。

表3 空間站任務航天員維修專項訓練課程設計Table 3 Design of astronaut maintenance specific training course for space station mission

5.3 訓練方法設計

維修定向知識學習以設計師、艙內工程師講解和多媒體演示為主，讓航天員理解和掌握；維修通用操作能力訓練以在維修操作訓練臺上實施為主，包括教員講解、示范操作、航天員練習，并靈活安排自主練習，達到熟能生巧；維修全流程訓練主要在模擬器或艙內真實環境實施，按照維修流程和步驟真實操作，在過程中形成全流程操作概念并養成良好操作習慣。 在訓練過程中，注重訓練評價及訓練結果反饋，研究細化訓練評價指標體系，包括操作的準確度、穩定性、靈活性、注意的廣度、維修流程的前后銜接、維修習慣是否良好等。根據個體和乘組訓練反饋結果，及時調整訓練重點和具體訓練方法，加強訓練針對性。

6 小結

1)中國空間站任務航天員在軌維修能力要素構成包括智力因素、操作技能、溝通能力，其中維修定位與診斷、通用維修操作能力為維修元能力。

2)維修能力生成途徑包括維修相關的定向和概括知識學習、維修通用操作能力訓練、在飛行器逼真模擬器或真實飛行器內的維修流程訓練，以及維修情景意識以及維修操作習慣的培養。

3)空間站任務維修專項航天員訓練設計包括訓練原則、訓練課程和訓練方法。 訓練內容涵蓋了維修能力要素構成，訓練方法上涵蓋了維修能力生成途徑，訓練設計的有效性得到初步驗證。