空间站环控生保分系统RMS设计思路和若干关键技术分析

杨拥民，吴志强

（1国防科技大学装备综合保障技术重点实验室，长沙710043；2中国航天员科研训练中心，北京100094）

1 需求分析

环控生保分系统是空间站的重要组成部分，由八个基础性非再生子系统以及五个为实现氧气、水和消耗性材料循环利用而采用的物化再生子系统共同组成，包括大量的机、电、液、气、化学对象，并具有多种工作模式和组合形态。从飞船到空间站，环控生保分系统的工作寿命从数天、数十天跨越式延长到10年，需要长时间不间断运行，对系统的可靠性和安全性提出了极其严酷的要求，特别是再生子系统多为新研产品，可靠性安全性工作基础薄弱。

分系统中多数产品的工作寿命都远小于空间站的寿命要求，若仅靠冗余备份来满足空间站总体提出的寿命和可靠度要求，将使空间站平台设备的数量异常庞大。基于我国当前的技术和经济实力，并借鉴和平号空间站与国际空间站的经验，必须在环控生保分系统的设计和研制过程中开展维修性设计，以提高系统的工作寿命与可靠度，同时兼顾货运飞船的保障，使得环控生保分系统达到可靠性、维修性、保障性的综合优化。

为实现以上目标，需要突破传统我国载人航天器以可靠性和安全性为质量主体的设计模式，开展整体的可靠性、维修性、保障性（RMS）设计工作，而大量工作项目的引入会使得分系统的研制过程更加复杂、困难，如何在样机设计过程中同步、高效开展RMS工作，研制单位缺乏相应的技术积累，我国航天领域也尚无既往成功经验可循。因此，根据环控生保前期工作的理论探索和设计实践，探讨工程实施思路和一些关键技术问题是十分必要的。

2 国外情况分析

国际空间站研制过程中非常重视RMS一体化设计，从并行工程角度将其看出是产品设计工作的重要组成部分。NASA认为空间站的RMS特性之间有着非常密切的相互关系，如图1所示，可以看到，可靠性、维修性、保障性设计之间需进行设计权衡，保障策略的优化与维修性设计可以直接影响可靠性设计。

图1 NASA考虑的RMS工作之间的关系

国际空间站中，美国舱和俄罗斯舱采用不同的维修方法。俄罗斯舱以预防性维修为主，不能极大化地发挥产品寿命能力，导致航天员劳动强度大。美国舱采用以可靠性为中心的维修（RCM）方法，通过引进基于条件的维修理论，补充了仅仅基于时间维修的方式，从而大大延长了一些设备的寿命和维修间隔。

国际空间站运行前几年，良好的维修保障有效保证了环控生保分系统的正常运行，开始运行3年间，总计发射14班次的航天飞机或飞船，以对空间站进行保障补给。分系统维修保障对象主要包括关键备件、升级的硬件、故障的ORU、定寿的ORU和工具五类，其中定寿的ORU是保障的主体，其数量和质量均占有较大的比重。通过延长定寿件的使用寿命，有效减少了环控生保分系统的维修保障量。在国际空间站最初上载的备件中，有些备件在实际运行过程暂时没有使用需求，且由于空间站存储空间不足，导致备件又被带回地面。

3 RSM工作设计思路

3.1 设计思路

环控生保分系统RMS设计工作相互依赖，实施过程中需要解决两个问题：一是由于RMS设计工作的特点是工作项目多，应结合空间站各阶段工作的特点，遴选各层次有效的工作项目，并合理掌握各项工作的时机和接口关系，使得RMS设计工作的效能最大化；二是如何将RMS特性融合到分系统的设计工作中，建立RMS一体化设计准则和机制，促成RMS设计工作和系统主功能结构设计的集成化和并行化。

按照GJB450规定，可供选择的可靠性设计与分析工作项目有13个；GJB368B规定的可供选择的维修性设计与分析工作项目有6项，还应包括在GJB2547中规定的测试性工作项目；而在GJB1371中规定的可供选择的保障性分析工作项目就有15项。如此众多的工作项目和要求，若都在分系统、子系统、ORU、单机等层面开展，将使得工作量异常繁重，应当进行必要的筛选，把握重点环节和重点对象。比如，在可靠性方面，应以分系统层面的可靠性分配和预计为重点，而对于各个ORU，应着重开展可靠性、长寿命详细设计。在维修性设计方面，ORU的划分是分系统RMS工作的重要基础，应作为分系统层面的工作重点之一，并开展ORU的维修性详细设计和难点维修项目的分析校核。

改进RMS设计与分析的做法，进行RMS一体化设计与分析将有利于提高RMS工作的效率与效益。而要达到这一目的，除管理因素外，最重要的是研究RMS一体化设计与分析的先进技术、方法和手段。可靠性、维修性、保障性指标和可用度之间有明确的数学关系，应围绕空间站及其环控生保的顶层设计要求，开展RMS一体化指标论证、分配和预计。在结构设计方面，不同构型和安装条件的单机方案，其可靠性、维修性和保障性可能会导致冲突，需要进行整体的综合优化和权衡。

3.2 总体设计流程

空间站环控生保分系统开展全任务阶段和全系统的RMS设计分析，根据总体规划的各任务阶段环控生保分系统功能，进行分系统层面的可靠性与安全性分析设计，形成建造阶段和运行阶段各航天器环控生保分系统的配置方案，并在此基础上展开分系统—子系统—单机层次的RMS分析设计。环控生保分系统RMS设计总体流程如图2所示。

首先根据空间站任务剖面对环控生保分系统的功能需求、空间站整体的使用与保障方案想定，得到核心舱环控生保分系统功能和组成，为RMS设计提供输入条件。在此基础上进行分系统功能的FMECA（故障模式、影响与危害度分析）和危险源初步分析，得到分系统的主要故障模式及危险源，通过分系统的可靠性和安全性顶层设计，为空间站组合体环控生保分系统总体布局和备份设计方案提供支撑，以提高分系统的可靠性与安全性。

然后针对空间站组合体中的各航天器环控生保分系统和子系统，开展RMS详细设计，保证分系统长时间安全运行。通过各分系统的危险源分析和FMECA详细分析，得到故障模式以及运行、使用和维修过程的危险源，并以ORU划分为基础，开展详细的可靠性设计、环境适应性设计、安全性设计来提高可靠度和安全性。而对于运行中的故障模式和险情，需要开展测试性设计，以进行准确的故障与危险检测、预报和定位，其中故障的排除通过维修来实现，进行维修性设计使得维修过程省时、省力、方便。基于可靠性和维修性要素，并结合寿命特征参数分析开展长寿命设计。另外，要利用维修保障性设计提供维修备件资源，形成分系统的维修和保障方案。完成RMS设计后，进行相应的验证和评估，为转入初样阶段提供依据。

图2 空间站环控生保分系统RMS设计总体流程

环控生保分系统RMS设计工作由分系统―子系统―ORU/单机逐层展开。分系统的功能设计和RMS设计并行开展，充分融合、相互支撑，保证分系统方案具有良好的质量特性和综合保障特性。

4 若干关键技术

环控生保分系统RMS的设计重点把握好两个顶层约束：一是以任务可靠性和安全性为中心，实现10年任务可靠度和安全性定性要求；二是年资源计划上行量应规划合理，在货运飞船可承受的补给能力之内。对于第一个约束，需要分析与测试、维修的耦合关系，开展RMS工作，进行产品设计和定性权衡，使得ORU和单机具有RMS综合特性；对于第二个约束，主要与ORU的质量、体积和更换数量相关，而在高可靠度要求之下，ORU数量主要和ORU划分、寿命周期、安全性相关。围绕这两个约束的设计，需要突破RMS综合权衡、ORU划分、考虑维修的可靠性分配、可靠性和长寿命设计等方面的关键技术。

4.1 RMS耦合分析与综合权衡

环控生保分系统的RMS特性之间互为关联，在指标论证和详细设计过程中，要综合考虑各种约束和需求，周密考虑并权衡好各种方案的优劣，不能随意提高某项指标，而忽略了其它特性的影响。

4.1.1 完好率指标的权衡

RMS的耦合关系一般通过可用度和完好率两个指标来建立，属于宏观层面。而在可用度模型中，只要系统处于维修状态就认为系统是不可使用的，这与环控生保的特点并不相符，短时间的停机维修不会导致环境参数的明显变化，仍能有效保证人的健康和安全，因此，在分系统单机数量多、维修较为普遍的情况下，应重点保证完好率指标的实现，该模型中，即使系统因故障处于维修状态，只要其维修的时间在系统任务允许的范围内，就不能认为该次维修影响完好。

环控生保分系统的完好率POR=R（t）+Q（t）×P（tm

4.1.2 备件上行量的权衡

分系统备件上行量的与整体可靠性水平相关，同时又受到ORU质量、寿命周期等因素的影响。根据欧空局的经验，ORU的最大允许质量取决于其可靠性水平。在分系统的上行资源约束下，需要以FMECA得到的严酷度结果为基础，在确保任务可靠性和航天员安全性的前提下，联合平均无故障间隔时间MTBF、ORU质量等参数进行优化计算，得到合理的设计要求。

4.1.3 RMS详细设计权衡

分系统的RMS详细设计属于微观层次，一般以ORU为基本设计单元，根据RMS的定量指标要求，进行高可靠、易维修、好保障的定性设计，需要以产品的功能性能实现为基本要求，结合RMS特性进行综合优化设计。不同的方案的功能与RMS特性之间、各个RMS特性之间可能存在冲突或者不协调，这样就要求设计过程中具体分析，寻求优化合理的解决方案。比如，在分系统检测传感器的配置设计过程中，需要权衡测试设备的增加对可靠性的影响；为方便维修所采用的快速对接连接器，会带来新的可靠性薄弱环节，需要增强密封可靠性和插拔耐久性；为实现易维修操作，紧固件的数量应较少、紧固力应较低，但其抗力学环境能力也随之下降，需要进行权衡设计。

4.2 ORU划分

ORU的确定是维修性设计的前提和基础，但进行ORU划分不仅仅依赖于维修性专业的工作，还需要全面分析对功能性能实现和RMS的影响，进行综合确定，是一件非常复杂的工作。应以系统功能流程图为基础，遵循单元之间的低耦合和单元内部的高内聚原则，充分考虑各种划分影响因素，制定科学合理的划分规则和评价方法。

4.2.1 ORU划分范围的确定

环控生保分系统的各零部件、产品、单机满足以下条件的必须列为ORU或者其组成部分：寿命达不到空间站总体设计寿命的对象；寿命周期范围内可靠性存在不足，会发生故障的对象；寿命未到期但影响安全的单机对象；需要拆卸进行各种检查、监控、维护的各种预防性维修对象；各种功能消耗件；对于连接件、密封圈、橡胶垫等其它的零部件，如果和ORU功能连接较为紧密，或者是其必要的辅件，也应当列为ORU范围。

4.2.2 ORU划分范围的原则

环控生保分系统ORU的划分，必须满足“四要求”：使用和维修安全、不影响功能实现、可拆装、不会带来新的可靠性薄弱环节；尽可能满足的“三要求”：故障可隔离、使用寿命（维修频率）一致、良好保障性。

由于不同的划分方案形成的ORU质量和RMS水平会有一定的差异。在划分过程中，既要根据保障性水平优化确定ORU颗粒度，又要满足总体给定的安装空间要求，在总体安装尺寸不够的情况下，是增强ORU的集成度还是提出新的空间反约束等，都需要进行综合权衡。

4.2.3 ORU划分决策

应制定环控生保各子系统ORU初步划分的逻辑决断图。首先根据环控生保分系统ORU选择范围的要求确定系统中需要拆修的各个单机，然后按照ORU的划分原则和要求，遍历进行ORU的组合划分，保证系统划分的ORU满足ORU的各项要求，并覆盖所确定的全部维修更换单机对象。

4.3 考虑维修的可靠性分配方法

环控生保分系统可靠性分配需要充分考虑多组合状态、多工作模式、多任务阶段以及可修系统的特点，从两个层面展开。一是在可靠性建模过程中，通过提出“ORU集合的概念”，考虑各种维修方式和间隔期对可靠性的影响；二是在分配过程中，给出各个层次针对性的分配方法。

4.3.1 考虑维修的可靠性建模

各再生子系统的可靠性框图中，每个以ORU名称命名的方框并不代表一个单独的ORU，它是基于维修保障策略的一种可靠性组合状态—“ORU集合”，这种维修保障策略主要包括定期更换维修和偶然故障维修。这里定义包含定期更换维修和偶然故障维修的“ORU集合”为“一级ORU集合”，随着可靠性分配的向下落实，由“一级ORU集合”进一步分配到只包含偶然故障维修的“ORU集合”，称为“二级ORU集合”。

4.3.2 可靠性指标分配方法

（1）分配过程

对于环控生保分系统和其各个子系统来说，其使用过程中有大量的定期维修和偶然故障维修，这些维修过程基本保障了其失效率不会随着时间的推移而发生明显的变化，所以可以假定分系统和子系统寿命都服从指数分布，然后按照评分分配法进行可靠性分配。

得到各子系统的可靠性指标后，基于其可靠性框图和数学模型，得到每个“一级ORU集合”的可靠性指标。基于每个“一级ORU集合”具体的定期维修保障策略将可靠性指标分配到“二级ORU集合”。基于备份数量，将“二级ORU集合”可靠性指标分配到单个ORU产品的可靠性指标。

（2）可靠性评分方法

传统的可靠性评分分配法一般采用复杂度、技术水平、工作时间和环境条件等评分因素。而对于环控生保分系统来说，仅以这4个评分因素显然是不够的。从维修性的角度来看，所需维修工时较少的ORU分配稍低的可靠性指标。从保障性的角度来看，越是难以保障的产品需要分配较低的可靠性指标，原因是形成高可靠性的“ORU”组合体花费的代价相对较大，而越是容易保障的产品可以分配较高的可靠性指标。

图4 子系统→ORU可靠性分配

因此，环控生保分系统可靠性评分分配法的评分因素应加上维修时间和保障条件，另外还需要额外统计考虑维修的可靠性分配中的重要参数：ORU更换周期。其中分系统→子系统的可靠性指标分配过程中，各个子系统不直接存在维修时间和保障条件等评分因素，所以分系统→子系统的可靠性指标分配评分因素仍为4个。

4.4 关键单机的长寿命设计

环境控制与生命保障分系统中，多数单机的使用寿命都远小于空间站的寿命要求，较短的寿命无疑会增加保障资源和维修负担，因此要开展长寿命设计。环控生保分系统组成复杂，有些类型产品的长寿命设计技术本身还不成熟，在空间特殊环境对产品寿命的影响及机理方面，研究基础较为薄弱。

开展单机的长寿命设计，需要根据环控生保分系统的环境应力、工作应力和可靠性分析结果，确定环控生保分系统的关键组部件，并以前期收集的数据为基础，识别出经过飞行试验、地面试验和仿真分析的对象，并采用不同的技术措施。对于技术状态相对成熟的非再生子系统，已经进行了多次飞行验证，基本掌握了寿命和可靠性信息，可视情况开展寿命增长设计和试验。对于新研产品，需要在研制过程中结合生产单位提供的相关寿命信息，开展系统的长寿命设计，如抗疲劳设计、防腐蚀设计、管路抗老化设计、防辐射设计、防老化设计和降额设计等，针对采用的设计措施进行仿真分析，并通过开展各类长寿命试验进行验证和评估，

4.4.1 消耗品的长寿命设计

消耗品的寿命主要取决于某种工作应力下的损耗速度，有些时候也受到环境应力的影响，应通过敏感性分析、介质材料优选、制备工艺优化等方式进行设计。比如对于再生CO2去除而言，需要突破长寿命CO、H2、CH4催化剂技术，主要技术措施包括选择合适的载体材料、选择合适的催化剂活性成分、优化催化剂表征、制备工艺、建立催化剂加速寿命试验评价系统等。而对于干燥床，为防止干燥剂材料在使用过程成产生的粉尘影响下游设备，在产品的进出口设置金属过滤材料，同时吸附床则采用了容尘设计，有效提高吸附床的寿命。

4.4.2 机电类产品的长寿命设计

机械类产品包括回转运动部件、各种阀门以及某些结构件等，不同类型对象的设计方式有较大的差异，需要进行寿命短板和影响因素分析，得到易发生、较薄弱的故障模式，然后寻求针对性的解决策略，在提高可靠性的同时能够延长寿命。

对于回转类部件，需要突破长寿命轴承技术。通过选用高强度轴承材料、采用特殊研磨工艺提高接触应力、改善润滑条件等方式进行解决。在航天微重力环境下，国外一般采用一次性稀油润滑技术，保持架采用多孔材料，将聚合物树脂或含棉纤维的树脂经特殊工艺压制烧成型，最后将润滑油压入微孔材料内制成。而保持架中润滑油存在的散失或变质问题使润滑周期缩短，必须发展长寿命补充供油技术，需要在航天轴承的安装部位设计供油系统，如储油器、储油箱及泵辅系统，利用控油技术使内部的润滑油缓慢流向轴承。

对于真空截止阀，需要突破高温长寿命密封技术。真空截止阀工作介质最高温度超过200℃，高温对密封材料的选取十分严格，并且温度的变化引起材料的形变也会对密封效果及寿命造成影响，通常所用的材料都不能满足要求。因此，真空截止阀的高温长寿命密封技术是一大难点。需要科学选取密封材料，再进行高温密封实验确定。增加高温密封的补偿性措施，充分保障阀门的密封的可靠性。

对于重要结构件，从结构安全性的角度出发，分析可能的各种损伤源，比如疲劳损伤、一般腐蚀和应力腐蚀所造成的环境损伤等，开展损伤容限设计和安全寿命设计。

5 结论

针对空间站环控生保分系统长寿命、高可靠的需求，分析了并行开展环控生保分系统RMS设计工作的思路，提出了实施RMS的总体设计流程，并探讨了RMS综合权衡、ORU划分、维修可靠性分配、可靠性和长寿命设计等方面的关键技术，旨在促进分系统RMS详细设计工作开展，实现分系统功能、性能和RMS特性的综合优化。◇

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