空间站再生生保系统集成设计与实现

张 滔, 李广利, 杨润泽, 彭 卓, 张勇平, 刘向阳, 吴志强

(中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室, 北京 100094)

1 引言

再生生保技术是空间站关键技术之一,再生生保系统主要由电解制氧系统、CO2去除系统、CO2还原系统、微量有害气体去除系统、尿处理系统、水处理系统等多个系统组成[1]。再生生保系统利用物理、化学方法,实现舱内大气净化、氧气再生、冷凝水和尿液的净化回收,大幅降低空间站长期载人运行的补给需求。其涵盖机械、电子、化工、材料、生物等众多学科专业,力学、热场、流场、气密、工效等指标要求高,众多的约束条件相互制约。再生生保系统集成设计是将各系统内部众多功能元件(部件)集合为若干在轨可维修的功能单元(组件),再组合成一个复杂装置(系统)的过程,集成设计呈现出更明显的多领域、多专业需求驱动与技术约束的特征[2]。最终的集成方案需均衡考虑多方面的影响,合理取舍,优化组合,其目标是要实现再生生保系统功能性能满足要求、运行可靠、易于维修维护。

国际空间站再生系统多采用标准机柜式集成方案,各再生系统模块化设计,以抽屉形式装入标准机柜,在轨维修时通过导轨拉出抽屉。这种方案维修性比较好,但抽屉式集成形式需要较多的结构支撑件,结构重量占比较大,不利于系统轻量化,同时空间利用率相对较低。国内前期的短期载人飞行器中,产品多以部(组)件形式交付装舱,基本没有系统集成要求,在轨维修需求也较低,缺乏可参考的系统集成设计的成熟经验。中国空间站的空间、重量及维修资源等约束与国际空间站有较大区别,总体技术要求中明确:舱体次结构不提供翻转功能,以固定安装的形式安装再生生保系统。因此,需要建立适合中国空间站再生生保系统功能特点和约束条件的集成方案,以确保再生生保系统在轨稳定运行,并具有良好的在轨可维修性。

本文提出了空间站再生生保系统集成设计的详细设计方案,进行了仿真验证、地面试验验证及全面在轨验证,并从系统维修性、集成度和轻量化等方面评估该集成方案的优势。

2 集成设计方案

再生生保系统必须保证单机高可靠、发生故障时可维修、需要时可更换,以满足中国空间站15 年在轨运行寿命要求[3]。因此,再生生保系统的集成方案必须满足在轨可维修性才能达到长期运行的目标,维修性设计也贯穿于集成设计全过程。基于维修性的集成设计包括系统布局方案、总体接口方案、在轨可更换单元(Orbital Replacement Unit,ORU)集成设计、管接头标准化设计及标识系统设计等几个方面。

2.1 系统布局方案

综合考虑舱内真空接口、通风接口、各再生生保系统重量分配、系统间的耦合关系等多方面约束,将再生生保的6 个系统布置在舱段同一环形区域4 个象限的机柜内。每个再生系统设计了整体翻转式的集成方案,位于机柜正面的产品可实现原位维修,位于机柜背面封闭空间内的产品翻转至通道内进行维修。图1 为电解制氧系统的布局和在轨维修示意图。

图1 电解制氧系统布局与在轨维修示意图Fig.1 Schematic diagram of electrolysis oxygen generation system layout and on-orbit maintenance

合理的布局设计是满足维修性要求的关键,布局设计重点考虑安全可靠性、操作便利性、系统流程相关性、影响最小化4 个方面:

1)安全可靠性。优先考虑在轨操作过程安全,避免维修操作时真空泄漏、工质泄漏、高温高电压等风险;布局保证产品重量分布合理,结构可靠,满足发射和地面试验的强度、刚度要求。

2)操作便利性。对于日常操作、维修频率高的产品及消耗品,优先布置在便于观察和操作的位置;有操作要求的面板、有维修要求的ORU、接头布置在前侧或上侧,使其具有良好的可视、可达性。

3)流程相关性。按系统运行流程和工质流动路径合理布局各功能部组件,避免管路、电缆过长,避免相互交错;同时预留了足够的长度确保维修时管路、电缆不受过度拉扯和弯折。

4)影响最小化。ORU 间布局相互不关联,在布局时尽量实现一次可视可达,避免额外拆除其他ORU。

依据各再生系统的功能、结构特点,再生生保系统的布局分为结构板式和框架式2 类。电解制氧、水处理、尿处理为第一类,特点是单机产品较小,多个单机集成为1 个ORU,ORU 集成度较高,工质为液体,管路通径较小。因此均采用结构板式布局(图2)。结构板正反面安装产品,结构板不参与密封,只作为承力结构,各ORU 之间采用软管连接。布局过程中充分分析各个ORU 的寿命、可靠性、日常操作、安装接口、管路电缆接口、重量及质心位置等多方面因素,将ORU 合理有效地布置在结构板上,使其能够满足安装、维修、日常操作、可视、可达、力学性能等要求。

图2 结构板式布局Fig.2 Layout of structural plate

CO2去除和微量有害气体去除系统为第二类,特点是单机产品一般体积较大,1 个单机即为一个ORU。ORU 数量多,工质为气体,管路通径较大,真空管路密封要求高,通风管路流阻要求高。这2 个系统均采用框架式布局(图3),框架正面安装阀门类产品,背面安装体积大、重量大的净化器类产品,管路采用大口径金属波纹管。

图3 框架式布局Fig.3 Frame layout

2.2 总体接口方案

接口设计是集成设计的重要部分,接口是再生系统与舱体的联系和界面划分,接口设计力求界面清晰、连接可靠、维修便利。图4 是电解制氧的接口设计结果。

图4 电解制氧系统接口设计图Fig.4 Interface design diagram of electrolytic oxygen generation system

1) 安装接口(图4(a))。舱体提供耳片,再生系统底板与耳片固定。安装接口的设计确保承受发射状态的力学环境,在轨首次进驻后,拆除再生系统底板与耳片的所有固定连接,使用少量手拧螺钉即可确保在轨运行期的固定。

2) 转轴设置。在系统底部设置翻转轴,转轴在发射状态不承受载荷,确保在轨翻转可靠。

3) 管线接口(图4(b))。在转轴附近设置接口面板,再生系统的对外管路、电缆统一与接口面板连接,接口面板固定安装在舱体仪器板上。对外管路和电缆预留长度,布置在转轴附近,系统翻转时无需断开管路和电缆。接口设计综合考虑并满足地面安装及试验、发射力学条件、在轨操作维修等要求。

2.3 ORU 集成设计

ORU 是可在轨进行移动、检查、更换、维修的最底层部件,ORU 的确定决定了再生系统维修设备的数量、维修方式以及维修方案[4]。ORU 维修性设计是集成设计的重点,ORU 划分选择是再生生保系统维修保障资源、系统体积规模和系统维修时间的重要影响因素,是开展维修性详细设计的基础。ORU 的划分按以下3 步开展。

1) 首先对再生生保系统以从上至下的方式开展物理和功能层次分解,从而明确从系统到单机的关联关系。

2) 从安全性、可测试性、寿命及维修保障资源等方面,综合分析在轨维修的约束因素和设计要求:ORU 内部产品寿命相近[5];消耗性产品作为独立的ORU;ORU 间的接口关系尽量少,以利于更换ORU 时气液、机械、电接口的断开和连接;对于ORU 内有单独维修需求的传感器类、消耗类产品,在ORU 的基础上嵌套ORU。

3) 根据ORU 可在轨维修的相关要求,通过逻辑决断初步划分系统的ORU,形成系统ORU划分的初步方案。

在系统ORU 初步划分结果的基础上,再从系统所需维修保障资源、系统维修时间和系统安装空间三方面要求逐一核查,反复调整ORU 划分的颗粒度,使ORU 划分方案尽可能满足各方面的要求。最终划分得到各再生系统的ORU 数量在16～25 个之间。

ORU 集成设计与ORU 划分基本同步开展,重点考虑满足在轨维修的需求。图5 是再生生保系统中几个ORU 的典型集成设计示例。在细节设计时,综合考虑了影响在轨维修的各个因素,如去掉管路连接,增加内部流道设计;对外管路接口集中布置,且考虑断接器操作空间和便利性;对外电接口的布置考虑电连接器的操作空间及其安全性;安装接口保证拆装方便,并进行防差错识别标记设计和安全性设计;操作手柄布置在合适位置,周围留有足够的操作空间。

图5 ORU 集成设计示例Fig.5 Example of ORU integrated design

2.4 管接头标准化设计

为减少ORU 接口种类,简化ORU 接口操作难度,需要对ORU 气液路接口进行统一设计[6]。再生系统中管接头规格型号较多,为实现管路的在轨快速拆装,将各类管接头进行标准化和型谱化设计,通径涵盖所有再生系统。与传统管接头相比,型谱化的断接器发射状态连接不用涂胶,在轨断接操作便利。可以避免涂胶带来的多余物,减小操作力,缩短操作时间,有效提高再生系统的维修工效。图6 是再生系统中所用的气路断接器和液路断接器型谱示意图。

图6 型谱化断接器Fig.6 Serialized quick disconnect

2.5 标识系统设计

维修性设计的过程中,应该做好识别标记工作[7]。为确保航天员在轨安全、正确、高效地完成人机界面相关操作,对产品标识进行了标准化设计,包括中文名称标识、管路及电连接器标识、安装对位标识、警示标识、禁止标识、操作说明标识、防误操作标识等(图7)。再生系统ORU 接口复杂,狭小空间内有误操作的风险;统一的标识设计及粘贴要求,配合在布局上采取的结构防误措施以及使用上的程序防误措施,可以有效降低在轨误操作风险。

图7 标识设计Fig.7 Identification design

3 集成设计验证

3.1 仿真验证

对集成设计进行工效学仿真验证及力学仿真验证,提前识别问题并进行设计迭代。

1)工效仿真验证。通过使用数字人体完成维修过程的模拟,可对设计中待维修产品布局的可达性、可视性等指标进行评价和验证,并对维修流程、维修步骤、维修所需的工具、辅助设备的设计满足情况进行评价,及时发现不合理的设计并进行改进。维修工效要求一直贯穿集成设计过程,在布局设计阶段即对各再生生保的三维数字模装进行工效仿真分析,以JACK 软件作为基础软件,建立空间站三维模型和数字航天员模型,主要仿真验证项目包括操作空间、可视可达性及失重状态下的维修姿态等(图8)。经过仿真验证,集成设计方案在产品布局位置、安装螺钉布置、操作干涉、界面安全性等方面进行了优化迭代。

图8 工效仿真验证Fig.8 Ergonomic simulation verification

2)力学仿真验证。在结构设计中,利用PATRAN/NASTRAN 对关键的结构框架进行仿真计算(图9),优化迭代。在蜂窝板重点区域预埋碳纤维横梁,以较小的重量代价获得了整体刚度较大的提升。同时根据蜂窝板的力学特性进行了产品的布局优化。利用ANSYS/FLUENT 进行流体仿真,校核管路系统流阻(图9),对管路布局走向和管接头的局部结构进行了优化。

图9 力学仿真验证Fig.9 Mechanical simulation verification

3.2 试验验证

对集成设计进行了试验验证,验证设计的有效性,包括工效试验验证及力学试验验证。

1)工效试验验证。为了对维修方案和维修程序的合理性、可行性进行验证,均需要通过地面或在轨试验开展维修性验证[8]。再生系统初样阶段在整舱环境下开展了一系列工效验证试验,如:发射状态固定连接件拆除、系统整体翻转、典型产品更换等(图10)。验证了再生系统翻转过程中管路、电缆等对外接口的相对运动情况、干涉情况;验证了安装的正确性和在轨翻转的可行性;验证了ORU 的维修操作空间。同时,再生系统多套实物产品完成了内部ORU 的维修性工效验证与评价,全部工效评价项目均合格。

图10 工效验证试验Fig.10 Ergonomic verification test

2)力学试验验证。利用再生系统结构件开展了力学摸底试验,验证了结构设计余量,针对部分薄弱区域,进行了设计优化,提高了承力结构整体刚度和强度。通过对各ORU 安装面的响应数据分析,确定了再生生保系统内部单机产品的力学环试条件。经过结构优化的再生系统通过鉴定级力学环试验证,再生系统装舱顺利通过了整舱力学试验,验证了再生系统力学特性满足设计要求。

3.3 在轨验证

2021 年4 月29 日,天和核心舱成功发射,标志着中国空间站在轨组装建造阶段全面展开。截止目前,再生生保系统在中国空间站上经历了SZ-12 至SZ-14 任务阶段的全面在轨验证(图11),设备运行稳定,指标符合设计要求。

图11 在轨维修验证Fig.11 On-orbit maintenance verification

SZ-12 和SZ-14 任务期间,在天和核心舱和问天实验舱开展了再生生保专项维修模拟验证,对再生系统背面的产品状态进行检查和模拟维修验证。验证了再生系统维修工况下整体翻转方案、ORU 布局设计、专用维修工具等项目,维修时间、维修效果均满足要求。验证结果表明: ①再生生保的集成设计整体翻转维修方案合理可行,翻转过程顺畅,无干涉现象; ②结构框架及安装接口设计合理,发射载荷下无明显变形; ③ORU 布局合理,操作接口可视、可达,维修工效满足要求。

4 分析与评估

4.1 维修性

通过对多种维修方案(图12)的正面空间利用率、背面维修性、力学性能、结构重量占比和管线布局等多个维度对比分析,整体翻转式的维修方案综合最优。整体翻转式维修方案正面空间利用率高,所有需要定期更换及日常操作的ORU 布置于安装板正面,可以实现原位操作及维修。维修安装板背面的ORU 时,不需断开系统对外电缆及管路接口,即可整体翻转系统至通道内;系统翻转后不脱离机柜,可以利用机柜内空间。

图12 在轨维修方案比较Fig.12 Comparison of on-orbit maintenance schemes

4.2 集成度

通常意义的集成度考虑单位空间内集成产品的数量或重量,在再生系统集成设计过程中更多考虑将多种功能进行有效的集成,在提高传统意义集成度的同时,提高维修工效。

在CO2去除系统的管路设计中,为解决维修工效、管路流阻、接口密封的耦合关系,将大口径管路与结构框架进行一体化设计(图13),管路只作为气路连接和密封,不承受载荷。与分体式设计相比具有以下3 个显著优点:

图13 大口径管路与框架一体化设计Fig.13 Integrated design of large diameter pipeline and frame

1) 管路置于框架中间,两侧连接产品,维修产品时不需拆装管路,维修性更容易保证;

2) 管路长度缩短,流阻降低,系统功能更容易实现;

3) 框架两侧产品的安装接口与密封接口合二为一,减少连接件,重量指标更容易满足。

4.3 轻量化

再生系统集成设计中重点进行了结构件的轻量化设计。板式结构和框架式结构都是再生系统的核心承力部件,是系统承载其各单机产品、管路、线缆等的主要承载结构。承力结构同时也为再生系统提供与舱体连接的安装接口。

为满足强度、刚度要求,同时达到减重目标,系统结构框架采用复合材料。电解制氧系统、尿处理系统、水处理系统安装板采用铝蜂窝芯加碳纤维蒙皮的蜂窝板结构,面板为高模高强碳纤维复合材料,夹芯为加密铝蜂窝,板内预埋铝合金埋件提供与单机设备、机柜等连接接口,预埋梁提高局部刚度,底板与中立板之间增加支撑杆提高安装板基频(图14(a))。

图14 复合材料结构框架Fig.14 Structural frame of composite material

CO2去除系统、微量有害气体去除系统采用碳纤维成型框架(图14(b))。复合材料框架采用碳纤维热溶预浸料铺放工艺,产品的外形精度由金属对模加压成型实现;精度要求较高的接口连接件采用金属件,金属件与复合材料框架通过胶螺或胶铆方式连接。复合材料框架上的各种孔位精度通过整体钻模保证。

在采用复合材料的基础上,经过不断地结构优化,各再生系统结构框架与系统的重量占比控制在10.3%～17.4%范围内,显著优于国际空间站水平。

5 结论

本文针对空间站重量、体积等约束条件,提出了再生系统集成设计方案,进行了维修方案、结构框架及管路、布局及ORU 等详细集成设计,仿真、地面试验及在轨应用验证了本文设计的集成方案合理可行。目前,天和舱、问天舱的再生生保系统都经历了全面在轨验证, 设备运行稳定,产品布局合理,在轨日常维护、故障维修操作方便,表明再生生保集成方案满足设计要求。本文阐述的再生生保集成方案、基于维修性的集成设计方法可为航天器复杂系统的集成设计提供总体设计思路和框架,具有一定的借鉴意义。