空间站任务航天员在轨舱内维修能力分析及训练设计

赵 静，黄伟芬，田立平，张贵平，王焰磊，马 广，田 勇

(中国航天员科研训练中心，北京100094)

1 引言

维修活动是指维持或修复一个零件或设备以达到特定条件所需要的所有行为[1]。 载人航天器在轨维修是指通过航天员在轨对载人航天器进行维修，达到载人航天器系统在寿命、可用度等方面的指标要求[2]。 从国外建造空间站的历史经验看，在轨维修是保证航天员在轨安全、空间站正常可靠运行、优化空间站设计、降低运营费用和延长空间站寿命的一种有效手段[3]。

俄罗斯礼炮6 号、7 号空间站上发生故障的主要集中在电源分系统、环控生保分系统、结构机构分系统和推进分系统。 发生的故障产品包括:太阳帆板、蓄电池、储箱、过滤器、加热器、密封圈、舱体、管路和对接机构等[4]。

和平号空间站航天员参与进行的舱外维修作业主要包括:交会对接故障、电力系统故障、舱门密封故障以及其他外部组件与设备故障。 舱内维修操作主要包括环控生保系统故障与维修(包括供氧系统故障、冷却液泄漏、二氧化碳去除等)、供电系统故障与维修、密封性问题与维修、意外相撞事故与应急处理、计算机故障和维修等[5]。

国际空间站在轨组装的6 年间(截至到2006年)，在轨运行2772 天，有人驻留2058 天，平均每年维修800 h，航天员工作1.9 h/天[4]。 其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(Reliability Centered Maintenance，RCM)方法，通过引进基于条件的维修理论，补充了单一基于时间维修的方式，从而大大延长了部分设备的寿命和维修间隔[6]。 以俄罗斯舱为例，2001 年～2006 年所发生的故障中，试验及有效载荷研究设备故障占总故障的34%，空间站保障系统故障占26%，软件故障占7%，乘员和地面人员维护操作失误占33%[7]。 国际空间站出舱维修主要包括意外事件导致的维修(例如对接装置O型橡胶圈阻塞物、有轨滑车与天线缠绕等)、外部设备或组件故障、电力系统故障、太空碎片碰撞、隔热瓦维修等。 舱内维修主要包括环控生保系统故障维修(含水循环系统堵塞、大小便收集系统故障、制氧系统故障维修)、医疗设备故障维修、计算机维修、电力系统故障、舱内照明维修、人为失误导致的故障维修等。

从国外空间站航天员在轨维修事例和经验来看，在轨维修对象种类多、范围广，多数维修产品关键度高，其中舱门密封、环控系统、电力系统发生故障的概率大，在轨维修频次高，并且维修时不仅仅是简单地更换备件，涉及与可更换单元(Orbital Replaceable Units，ORU)相关的上下游管路、阀门、控制、信息等系统知识、逻辑判断及状态设置等，以上要求航天员能力全面、综合能力强且具备较强的情景意识。

为满足中国空间站长寿命设计要求，空间站系统总体及各分系统均进行了维修性设计，在轨维修也将成为航天员的主要任务之一。

2 中国空间站在轨维修策略

中国空间站为满足长寿命要求，系统总体进行了专项维修设计，维修策略为:对于可在轨预测产品情况的采用预防性维修；对于在轨故障难以预测的突发故障采用修复性维修。 预防性维修主要包括耗损性产品、消耗性产品和需定期标定的产品等。 修复性维修主要为无耗损特性设备维修，多为电子产品，其故障现象可能随机发生。 为提高航天员在轨时间的利用率，减少在轨维修操作复杂性，中国空间站在轨维修采用更换ORU 为主、ORU 内部维修为辅的方式。 根据维修设计，在轨维修可分为4 级:①Ⅰ级在轨维修:以维护为主，指使用一些简单的诊断工具和手用工具对设备进行日常的维护，包括目视检查、擦拭清洁、设备调整、润滑、添加消耗性物品等；②Ⅱ级在轨维修:以更换ORU 为主，在轨维修主要任务是将故障检测、定位到ORU，并进行更换；③Ⅲ级在轨修复:在备件不能及时供应的情况下，对部分ORU进行深一层次在轨修复，对舱体结构进行紧急堵漏等修复性维修操作也属于Ⅲ级在轨修复；④Ⅳ级维修:在轨无法诊断故障，并且设备故障可能会造成批次性影响，考虑由载人飞船带回地面进行分析研究，并修复故障，作为地面储备备件[8]。为了有利于维修实施，维修设计对ORU 机电气液接口等进行了统一和规范性要求，并配备了一套通用工具。

3 航天员维修能力定义与分析

3.1 航天员维修能力定义

从心理学视角认为能力有3 种分类:能力是一种潜能；能力是对知识技能的动态掌握；能力是一种个性心理特征[9]。 普通教育学认为能力是认知能力和智力[10]。 职业教育认为能力是与特定情境有关的职业能力[11-12]。 综合各种能力概念解释，本文定义航天员维修能力指能够在轨完成飞行器维修活动的特定情境有关的职业能力，包括与维修过程相关的注意力、观察力、记忆力、思维力、操作能力、沟通能力。 它一方面与具体的操作能力相关，另一方面要求有较强的情境意识，能利用所学的空间站专业技术知识来分析、判断维修操作步骤的内在原理及维修结果。 航天员在轨维修具体的能力要素构成见表1。

3.2 维修元能力分析

在综合职业能力概念中，元能力是联系其他能力的桥梁，处于中心地位，它对整个能力的高低起着决定性作用[13]。 分析航天员在轨维修能力要素构成，注意力、观察力、记忆力、想象力、思维力等智力因素以及沟通能力在其他训练科目及任务需求中都有涉及，并且航天员都是经过层层选拔，具备优秀的基础能力。 而与执行具体维修活动密切相关的是最终完成维修任务的关键能力，这应为航天员在轨维修能力的核心元能力。

对空间站各分系统不同种类ORU 维修步骤进行归纳总结，提炼出通用的、关重的作业为维修核心任务。 根据空间站ORU 维修手册，航天员在轨完成一项维修工作，主要步骤包括:维修定位与诊断，维修操作台固定安装，取备件检查状态，供电或信息隔离确认，内饰板拆卸，佩戴防静电手环，拆卸ORU，安装备件，加电、确认状态，内饰板安装，存放故障产品，恢复舱内状态等。 对操作步骤分解和分析，提炼出维修核心任务为维修定位与诊断的认知活动、维修工具使用、ORU 拆卸和安装、内部板卡级维修的维修通用操作，相应地完成核心任务的关键能力为维修元能力。 维修定位与诊断是指能够准确定位待维修产品；分析判断维修影响域、维修操作关键点和危险点。 维修通用操作能力包括熟练使用维修工具、ORU 拆卸安装、ORU 内部板卡级维修能力。 采用具体任务分析法，根据空间站维修设计，结合以往训练经验，分析维修核心任务对维修元能力具体要求，结果见表2。

航天员训练时间有限，地面训练时不可能也没必要对空间站上千个ORU 一一训练。 同时考虑到训练模拟器配置的实用性和经济性，模拟器也无法配置所有ORU 供航天员训练。 提取的维修核心元能力涵盖了所有维修核心任务的能力要求，覆盖了维修设计中涉及到需要航天员操作所有机电气液接口及工具使用，可以为训练设计奠定基础，以破解在有限的时间和保障条件情况下，训练航天员具备在轨完成好各项维修的能力这一技术和实施难题。

表1 航天员在轨维修能力要素构成Table 1 0 n orbit maintenance capability elements of astronauts

表2 空间站维修核心任务分析及元能力要求Table 2 Core task analysis and meta capability requirements for space station maintenance

3.3 维修综合能力分析

在具备各能力要素和元能力的基础上，按照综合职业能力观，还需要具备一定的工作情景意识、对工作情景的理解力，来支撑在飞行器具体环境中完成维修任务。 对维修能力各要素的整合加上情景意识、在轨维修过程特殊习惯养成(例如工具防飘、ORU 固定、多余物收集等)是在轨维修应具备的综合能力。

4 航天员维修能力生成途径分析

能力形成过程本身分为3 个阶段:基础知识的建立阶段，知识关联阶段和自治阶段。 在自治阶段，知识更具有逻辑性，可以激活知识基础单元[11]。 映射到航天员维修能力训练，需要进行维修设计、维修通用知识、基本技巧介绍等与维修相关的概括和功能知识培训，以及空间站各分系统设计原理学习，并通过维修实践和知识关联，达到自治阶段，以使航天员具备维修定位与诊断能力。

通用维修操作能力具体体现为操作技能。 操作技能形成包括操作定向、操作模仿、操作整合、操作熟练4 个阶段。 在操作熟练阶段，操作表现出高度的稳定性、精确性、灵活性，无多余动作，视觉范围和注意范围变广。 大量实践表明，完成操作的4 个阶段，最终达到操作熟练程度，最有效的方式就是练习。 映射到维修训练，需要设立维修操作技能训练课程，在维修训练台上使用统一配套维修工具及组合方式进行ORU 机电气液等相关接口操作、在模拟器内进行各类维修流程训练，使航天员熟练掌握维修操作技能。

按照职业能力形成的情景观，人的职业能力只能在真实的职业情景中通过实践获得。 情景学习与情景认知是建立在真实、有效的情景之上的，应创建基于工作的、模仿从业者真实活动的学习环境，以保证知识向真实情景的迁移[11，14]。 基于这些理论，维修训练应安排在空间站真实舱内相似环境中才有效果，这些环境因素包括周围限位环境、光照环境、狭小空间操作环境等。 分析选取典型、关重的ORU 在模拟器内进行全流程训练，并根据技能迁移理论分析其他相似ORU 操作流程是否能够覆盖。 需要说明的是技能迁移包括正向迁移和负向迁移，其中操作对象和操作环境相似度越高，越有利于正向迁移，强化训练效果，反之则会导致负向迁移、影响训练效果。 这就要求无论是进行模拟器研制、还是典型ORU 选取，都应充分考虑模拟环境的真实性和相似性。

根据以上分析以及以往历次型号任务航天员训练经验，航天员维修能力生成途径应包括维修相关的定向和概括知识学习、维修通用操作能力训练、在飞行器逼真模拟器或真实飞行器内的典型ORU 维修流程训练。 另外维修情景意识、维修操作习惯也需要在模拟器或真实飞行器内进行一定量的训练才能建立和养成。

5 航天员维修训练设计

维修训练设计紧紧围绕使航天员具备执行空间站维修任务的能力这一训练目标，结合空间站维修设计技术状态、航天员维修能力要素构成、元能力和综合能力及生成途径分析、航天员训练要求以及以往训练经验，科学进行训练原则确定、训练课程设计、训练方法设计，构成维修专项航天员训练体系，如图1 所示。 依据训练原则，按照一定训练方法实施训练课程，最终达到训练目标。 依据该训练设计，对航天员参加工效学评价和人-站联试实施了部分维修项目培训，培训达到了良好效果。

图1 空间站任务航天员维修专项训练体系Fig.1 Astronaut maintenance specific training system for space station mission

5.1 训练原则

航天员训练须满足一致性、覆盖性和有效性要求，才能确保航天员在轨操作准确无误、顺利完成飞行任务。 航天员维修专项训练应遵循以下原则:

1)元能力训练覆盖性原则:①维修定位与诊断能力包括使航天员掌握维修专项知识设计、维修涉及的机电气液基础知识、空间站设计原理等；②舱内通用工具操作训练覆盖性包括通过训练能够熟练掌握舱内通用工具使用方法、各种工具灵活组合使用等；③维修操作接口操作训练覆盖性包括覆盖所有在轨维修涉及到的机电气液接口、热接口等各种接口拆卸、安装、插拔、断接等操作；④整机更换ORU 类型覆盖性包括受训练时间和资源限制，不可能在短时间内对所有ORU 进行全流程训练，因此按照操作界面、ORU 属性、操作流程等梳理在轨维修ORU 类型，每种类型至少覆盖一个维修全流程训练；⑤板卡级维修类型覆盖性包括训练要覆盖到空间站任务所有类型的板卡级维修操作。

2)关重性原则:对于在轨有备件、在轨发生故障需要紧急维修、维修时间有严格要求的关重产品，训练做到产品和全流程覆盖。

3)针对性原则:对于在轨没有备件的产品发生故障、并确定由下一个乘组进行维修的产品，则针对该乘组进行该项维修全流程训练。

5.2 训练课程设计

根据航天员维修能力构成要素及生成途径剖析，结合航天员训练要求，空间站任务维修专项航天员训练应包括3 个训练科目，包括维修定向知识理论培训、维修通用操作能力训练、维修全流程训练，其具体训练内容见表3。

表3 空间站任务航天员维修专项训练课程设计Table 3 Design of astronaut maintenance specific training course for space station mission

5.3 训练方法设计

维修定向知识学习以设计师、舱内工程师讲解和多媒体演示为主，让航天员理解和掌握；维修通用操作能力训练以在维修操作训练台上实施为主，包括教员讲解、示范操作、航天员练习，并灵活安排自主练习，达到熟能生巧；维修全流程训练主要在模拟器或舱内真实环境实施，按照维修流程和步骤真实操作，在过程中形成全流程操作概念并养成良好操作习惯。 在训练过程中，注重训练评价及训练结果反馈，研究细化训练评价指标体系，包括操作的准确度、稳定性、灵活性、注意的广度、维修流程的前后衔接、维修习惯是否良好等。根据个体和乘组训练反馈结果，及时调整训练重点和具体训练方法，加强训练针对性。

6 小结

1)中国空间站任务航天员在轨维修能力要素构成包括智力因素、操作技能、沟通能力，其中维修定位与诊断、通用维修操作能力为维修元能力。

2)维修能力生成途径包括维修相关的定向和概括知识学习、维修通用操作能力训练、在飞行器逼真模拟器或真实飞行器内的维修流程训练，以及维修情景意识以及维修操作习惯的培养。

3)空间站任务维修专项航天员训练设计包括训练原则、训练课程和训练方法。 训练内容涵盖了维修能力要素构成，训练方法上涵盖了维修能力生成途径，训练设计的有效性得到初步验证。