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载人航天器应急飞行方案库构建方法

更新时间:2009-03-28

载人空间站在轨运行所需的人员轮换、物资补给,主要由载人飞船和货运飞船等天地往返运输航天器承担[1]。当载人航天器在轨出现故障导致部分系统功能降级或失效时,不能继续按照正常飞行模式飞行,要进入应急飞行模式,按照预先设计的应急飞行方案飞行,以尽可能完成既定飞行任务,并确保航天员的安全[2]。例如,若飞船入轨后出现“太阳电池翼单翼未展开”故障,经处置无效后只有单翼展开,导致整船供电能力下降约50%,只能进入应急飞行模式,按照应急飞行方案继续飞行任务。因此,应急飞行方案设计是实现载人航天器“一度故障工作、二度故障安全”高可靠、高安全要求的重要保证。

国外对载人航天器开展了应急飞行方案设计和研究工作,以确保飞行任务成功。以俄罗斯联盟TMA载人飞船为例,它具备6 h快速交会对接和2天常规交会对接能力[3-4],在执行快速交会对接时将常规交会对接飞行方案作为应急飞行方案。2014年3月26日,联盟TMA-12M载人飞船执行向“国际空间站”运送航天员任务,在按6 h快速对接模式飞行时定位系统出现故障。经故障处置后进入推迟对接应急飞行模式,于3月28日成功与“国际空间站”对接,这是应急飞行方案成功应用的典型案例。但是,目前尚无法检索到国外载人航天器应急飞行方案的具体设计方法。对于国内载人航天领域,在历次任务中,均根据不同的任务目的和特点设计相应的应急飞行方案[5-8],暂未形成通用化的设计方法。目前,我国载人航天工程已全面进入空间站阶段,应对载人航天器应急飞行方案的通用设计方法进行研究,更好地保障飞行任务的完成和航天员的安全。

本文提出了一种基于识别矩阵的应急飞行方案库构建方法,明确了以故障模式为线索的应急飞行模式识别方法和相应的应急飞行方案设计原则,以确保选择的应急飞行方案能保障航天员的安全,并尽可能完成既定的飞行任务。以天舟一号货运飞船为例,阐述基于识别矩阵的应急飞行方案库构建与应用过程。本文的研究思路和成果,也可推广应用于其他航天器的应急飞行方案设计。

1 基于识别矩阵的应急飞行方案库

载人航天飞行任务通常是在追踪飞行器、目标飞行器、航天员、地面测控系统等多方协同配合下完成的,载人航天器自身或与其他大系统接口故障,均可能导致其系统功能降级或失效。不同的故障模式,导致载人航天器系统功能降级或失效的程度不同,因此故障发生后载人航天器的飞行状态不同,也即进入的应急飞行模式不同。载人航天器全部的应急飞行模式及对应的应急飞行方案,构成应急飞行方案库,飞行控制过程中最终选定的应急飞行方案与其进入的应急飞行模式对应。因此,首先必须准确、全面地识别应急飞行模式,再根据不同的应急飞行模式确定针对性的应急飞行方案。

应急飞行方案的确定过程,是一个从“故障模式”到“应急飞行模式”再到“应急飞行方案”逐步收敛的过程,如图1所示。其中,故障模式识别和故障预案制定,主要是通过载人航天器系统级故障模式影响分析(FMEA)、故障树分析(FTA)等方法分析故障模式,并针对有在轨补偿措施的故障模式制定故障预案,具体可参考文献[5,9],本文不展开介绍。应急飞行模式的识别,采用基于识别矩阵的方法,综合考虑功能和时间两个维度,以确保预先设计的应急飞行方案能够覆盖载人航天器全部系统功能故障和整个飞行过程。

  

图1 应急飞行方案库构建过程Fig.1 Construction process of emergency flight scheme database

1.1 建立应急飞行模式识别矩阵

为确保应急飞行模式识别的准确性和全面性,本文以载人航天器故障模式为线索,通过故障发生的飞行阶段、涉及的系统功能、按照故障预案处置后对系统功能的影响、能否继续按照正常飞行方案飞行、对任务目标的影响等分析要素,进行应急飞行模式识别,建立识别矩阵(如表1所示)。

 

表1 应急飞行模式识别矩阵Table 1 Identified matrix of emergency flight modes

  

序号故障模式飞行阶段系统功能按故障预案处置后对系统功能的影响能否继续按照正常飞行方案飞行对任务目标的影响备注1恢复/降级/失效是/否继续/降级/取消……

(1)故障模式。对载人航天器所有故障模式逐一进行分析、识别,包括载人航天器自身故障和影响载人航天器飞行状态的大系统接口故障,如运载火箭入轨轨道过低、目标飞行器姿态失控等。

(2)飞行阶段。明确故障模式所发生的飞行阶段。飞行阶段是根据载人航天器飞行任务规划和自身功能特点人为划分的,如发射段、交会对接段、组合体段等。故障模式可能发生在某个或多个飞行阶段。

(5)能否继续按照正常飞行方案飞行。根据故障处置后对系统功能的影响,判断能否继续按照正常飞行方案飞行,包括“是”和“否”2种情况。故障处置后系统功能恢复,通常能够继续按照正常飞行方案飞行;故障处置后系统功能降级或失效,通常不能继续按照正常飞行方案飞行,此时识别为应急飞行模式。需要说明的是,由于载人航天器交会对接飞行具有严格的时序约束,往往在发生故障后,即使系统功能恢复,也不能继续按照正常飞行方案飞行。

(4)按故障预案处置后对系统功能的影响。明确按故障预案处置后对系统功能的影响,包括“恢复”、“降级”和“失效”。若按照故障预案处置后故障消失,则对系统功能的影响为“恢复”;若处置后故障被隔离,系统功能部分丧失,则对系统功能的影响为“降级”;若处置后故障仍存在,系统功能全部丧失,则对系统功能的影响为“失效”。

(3)系统功能。明确故障模式所涉及的系统功能。载人航天器系统功能可分为基本功能和任务功能。载人航天器在预定轨道上运行所必备的功能,称为基本功能,如姿态轨道控制、供配电等;载人航天器完成工程总体或用户的任务目标所必备的功能,称为任务功能,如交会对接、组合体停靠、推进剂补加等。

(6)对任务目标的影响。明确应急飞行模式下对任务目标的影响,包括“继续”、“降级”和“取消”。应急飞行模式下,部分系统功能降级或失效,但可以完成既定任务目标(如交会对接、推进剂补加等),则影响为“继续”;应急飞行模式下,部分系统功能降级或失效,只能完成部分既定任务目标,则影响为“降级”;应急飞行模式下,部分系统功能降级或失效,无法完成既定任务目标,为确保航天员安全,需要应急返回,则影响为“取消”。

[5] 于潇,马晓兵,苟仲秋.神舟飞船出舱活动故障模式和对策的设计与实践[J].航天器工程,2010,19(6):56-60

通过单击主界面中的“添加学生信息”按钮,进入图2所示inputDialog界面。InputDialog界面类是在Qt Creator开发环境中界面文件下通过添加继承于QDialog类自动生成。在Qt中为了能实现事件处理及界面跳转可以通过对控件的信号函数添加槽函数,当单击图1的“添加学生信息”按钮时,发出一个click信号,再在click信号函数上添加on_inputButton_clicked()槽函数来实现从主界面到添加学生信息界面的跳转。

应急飞行方案应遵循以下设计原则。①全面性原则:对识别出的应急飞行模式,均有相应的应急飞行方案,以确保载人航天器在轨出现故障进入应急飞行模式后均能以确定的状态飞行,继续任务或取消任务。②归一化原则:同一系统功能在不同飞行阶段的应急飞行模式,应尽可能对应同一种应急飞行方案,对飞行任务目标影响相同的应急飞行模式,应尽量对应同一种应急飞行方案,以减少应急飞行方案数,便于地面测试覆盖全面,也便于飞行控制过程中快速决策实施。

 

表2 识别出的应急飞行模式汇总Table 2 Summary of identified emergency flight modes

  

系统功能影响飞行阶段飞行阶段1……系统功能1恢复降级失效…………

注:填写格式为“对任务目标的影响+应急飞行模式数”,无应急飞行模式时,用“/”表示。

1.2 设计应急飞行方案

针对每种应急飞行模式,都应预先设计对应的应急飞行方案,形成应急飞行方案库,便于飞行控制过程中快速决策实施。

1)设计原则

琵琶仙微微一笑,说:“这个你放心,庄翻译的底细我清楚,他跟刁德恒不是一路人。明天中午,你送香肠慰劳太君,去一趟北大营,但要避开姓刁的保安队长,庄翻译会悄悄来的。”

按照表1,对系统级故障模式逐一进行分析、识别,可确保从静态和动态2个维度覆盖载人航天器整个飞行阶段和全部系统功能。为便于应急飞行方案库的构建,对识别出的应急飞行模式按照系统功能影响、飞行阶段和对任务目标的影响进行分类、汇总,见表2。

①泵送过程中,受料斗内应有足够的混凝土,以防止吸入空气产生阻塞,并且要有专人看管受料斗,防止大的骨料或杂物进入泵车内,造成管道堵塞。

2)一般设计方法

心血管神经症是一种功能性疾病,常无器质性心脏病变,根据其特点及临床表现,本病可归属于中医学“心悸”、“怔忡”等病证范围,其病机关键是阴虚生内热,虚热扰动心神,致心神不宁而发病。笔者在西医常规稳定心率、镇静、调节神经细胞功能等治疗措施的基础上,自拟六子养阴煎治疗,方中女贞子、枸杞子、五味子、沙苑子等滋阴益肾,栀子清热泻火、柏子仁养心安神,均为主药;配伍旱莲草、生地黄、山茱萸、牡丹皮等增强滋阴清热降火之力,远志、牡蛎亦可宁心、镇惊、安神,甘草清热,兼以调和诸药。全方合用,共同发挥补肾滋阴,降火安神的功效,阴虚得补,虚火得清。综上,采用六子养阴煎治疗心血管神经症效果满意,值得推广。

应急飞行方案应围绕应急飞行模式汇总(见表2)进行设计,主要考虑系统功能异常(降级或失效)情况下,如何使载人航天器以确定的飞行状态继续任务、完成部分任务或取消任务。一般设计方法为:①对影响航天员安全的系统功能(如热管理功能)异常,应取消任务,实施航天员应急撤离[7]或自主应急返回[9]。②对影响载人航天器平台安全的系统功能(如供配电功能)异常,应降低整器负载,再根据能量平衡情况继续任务,或取消任务应急返回。③对影响完成既定任务的系统功能(如交会对接功能)异常,应尽快切换至备份,以备份状态继续飞行任务。

在实际设计过程中,要在上述一般设计方法的基础上,根据载人航天器自身的任务特点,设计具体的应急飞行方案。

3)命名原则

以“太阳电池翼单翼未展开”、“太阳电池翼双翼未展开”、“目标飞行器控制组合体姿态异常”3种典型故障模式为例,可覆盖系统功能降级任务继续、系统功能失效任务降级和系统功能失效任务取消3种典型应急飞行模式。建立应急飞行模式识别矩阵,如表3所示。其中:①当交会对接段出现“太阳电池翼单翼未展开”故障时,经故障处置无效,将导致整船供配电功能降级,不能按照正常飞行方案飞行,需要降低整船负载功率,继续交会对接。②当交会对接段出现“太阳电池翼双翼未展开”故障时,经故障处置无效,将导致整船供配电功能失效,不能按照正常飞行方案飞行,需要降低整船负载功率,取消交会对接,应急离轨。③当组合体段出现“目标飞行器控制组合体姿态异常”故障(大系统接口故障)时,经(目标飞行器)故障处置无效,将导致组合体停靠功能失效,不能按照正常飞行方案飞行,需要由货运飞船控制组合体姿态,继续组合体飞行。由于目标飞行器姿态控制异常,后续需要目标飞行器配合的任务(如绕飞)等无法进行,任务降级。

通过采访和实地观察,学生与外教交流中最突出的问题是词汇量不足,从而导致不能够进行完整顺畅的交流。第二个较为突出的问题是语速。有12名受访者表示需要外教放慢语速,必要时进行多次重复。第三个突出的问题是中文对英语语言表达的影响。部分学生强调在说话之前,要把中文转换成英文,从而导致说话不通顺,经常性停顿,有时候甚至会将中文直译成英文,在这种情况下外教完全不能明白其中的含义,没有达到交流的目的。

2 在天舟一号货运飞船中的应用

天舟货运飞船是我国载人航天工程的重要组成部分,主要任务是为空间站运输货物和补加推进剂,并将空间站废弃物带回大气层烧毁。首艘货运飞船天舟一号在2017年4月20日成功发射,9月22日受控离轨,圆满完成了飞行任务[10]。天舟一号货运飞船应急飞行方案库采用了基于识别矩阵的方法,具体过程如下。

1)识别应急飞行模式

以天舟一号货运飞船故障预案中上百项故障模式为线索,建立应急飞行模式识别矩阵。针对每项故障模式,分析按故障预案处置后对系统功能的影响和对任务目标的影响,明确能否继续按照正常飞行方案飞行。

接下来,分析评估风险点。根据“澳新风险管理标准”,将风险分为自然灾害、危险品危害、装备设施保障、信息系统保障、日常运营风险、人员风险和其他七大类。风险发生概率分为肯定发生的、非常可能的、有可能的、不太可能的、极少的5级;同时,设有最大的、较大的、中等的、较小的、微不足道的5级发生后损害程度;然后以风险发生概率与发生后损害程度两者相乘得出风险指数。

应急飞行方案通常按照“飞行阶段+对系统功能的影响+对任务目标的影响”的形式命名,以便于飞行控制人员直观地理解和掌握什么时候在什么情况下需要使用该应急飞行方案,以及清楚地了解使用后对任务的影响。同时,为方便使用,在确保没有歧义的情况下,可以对飞行方案的名称进行适当简化。其中:一种应急飞行方案覆盖同一系统功能在不同飞行阶段的应急飞行模式时,飞行阶段在名称中可以省略;一种应急飞行方案覆盖对飞行任务目标影响相同的应急飞行模式时,飞行阶段和对系统功能的影响在名称中均可省略。

在应急飞行模式识别矩阵中,经故障处置后不能继续按照正常飞行方案飞行的故障模式,均为应急飞行模式。按照系统功能、飞行阶段和对任务目标的影响进行分类、汇总,天舟一号货运飞船应急飞行模式约几十项。举例说明,在表3的基础上,识别出“供配电功能降级继续任务”、“供配电功能失效任务取消”、“组合体停靠功能失效任务降级”3项应急飞行模式,如表4所示。

2)应急飞行方案设计

按照应急飞行方案设计原则,分析、合并应急飞行模式,对应设计出天舟一号货运飞船应急飞行方案十余项,形成应急飞行方案库。举例说明,在表4的基础上,针对“供配电功能降级继续任务”应急飞行模式,设计“降低整船负载继续交会对接应急飞行方案”;针对“供配电功能失效任务取消”应急飞行模式,设计“降低整船负载取消交会对接应急离轨”应急飞行方案;针对“组合体停靠功能失效任务降级”应急飞行模式,设计“货运飞船控制组合体”应急飞行方案。其中,“货运飞船控制组合体”应急飞行方案,直接应用于天舟一号货运飞船控制组合体在轨试验方案设计,并经过了在轨验证。控制精度满足要求,达到了预期的试验目的。

 

表3 天舟一号货运飞船应急飞行模式识别矩阵()Table 3 Identified matrix of emergency flight modes for Tianzhou-1 cargo spaceship

  

序号故障模式飞行阶段系统功能按故障预案处置后对系统功能的影响能否继续按照正常飞行方案飞行对任务目标的影响备注1太阳电池翼单翼未展开交会对接段供配电功能恢复是/降级否继续2太阳电池翼双翼未展开交会对接段供配电功能恢复是/失效否取消3目标飞行器控制组合体姿态异常组合体段组合体停靠功能恢复是/失效否降级

 

表4 识别出的天舟一号货运飞船应急飞行模式汇总()Table 4 Summary of identified emergency flightmodes for Tianzhou-1 cargo spaceship

  

系统功能影响飞行阶段交会对接段组合体段供配电功能降级继续+1/失效取消+1/组合体停靠功能失效/降级+1

3 结束语

本文以载人航天飞行任务为研究背景,针对载人航天器“一度故障工作、二度故障安全”的高可靠、高安全要求,提出了一种基于识别矩阵的应急飞行方案库构建方法,可以从静态和动态两个维度覆盖载人航天器全部系统功能和整个飞行过程。在载人航天器在轨出现故障进入应急飞行模式的情况下,按照相应的应急飞行方案,可确保航天员的安全,并尽可能完成既定飞行任务。面向未来载人航天自主化、智能化的发展趋势,后续将研究载人航天器应急飞行方案在轨自主规划方法。

参考文献 (References)

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

[2] 张蕊.交会对接故障情况与分析[J].国际太空,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

高效解法:(xe2x- lnx-1)/x=(e2x+lnx- lnx-1)/x≥[(2x+lnx+1)-lnx-1]/ x=2,当且仅当2x+lnx=0时取等号,∴a≤2。

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.天宫一号目标飞行器系统级自主安全设计[J].航天器环境工程,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)

【解读】 跟所有其他检测项目一样,检测前的相关解释和咨询应该充分细化和个性化。高通量测序还可能涉及比其他项目更多的隐私信息,因此很有必要对每个参与检测个体进行充分的知情同意,胎儿的父母作为共同监护人原则上应当共同接受检测前教育。

从企业角度出发,首先,各家企业应该具有包容积极的态度,与分享经济产业相结合,共同进步;第二,分析经济企业需要加强平台管理,与政府监管形成有效互补,重视对于供给端的审查,建立起完备的评价审查机制,有效防范杜绝风险事件的涌现,做到安全保障和隐私信息保护,形成评估指标,不断改进和完善自律监管体系,促进行业内部健康持续发展。

[7] 王志莹,杨海峰,王悦,等.载人航天器组合体航天员应急撤离流程设计[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)

译者是翻译的主体,翻译就是跨越语际的障碍,达成交流的一种文化活动。,在翻译实践中,只要是能顺畅地交流思想或情感,译者就无须过于恪守原文的形式,企图形式上的完全对等。只要能让翻译的目的得以达成,那么,以奈达的动态对等理论为指导,通过适当地采用多样的翻译方法来达到翻译效果的动态对等是便一种更加实际有效的翻译准绳。总之,译者应自由,译法无限制,只要是尊重原文的思想和内容的前提下,译者就可以并且应当充分发挥主观能动性,灵活采取不同的翻译方法,促使翻译活动的顺利达成。

1.2.1 一般情况调查表 包括年龄、职称、学历、护龄、编制、医院种类、科室、收入、职务、翻班与否和日工作时间等。

[8] 张治国,刘新建,闫野.一种载人飞船自主应急返回模式设计[J].载人航天,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] 刘志全,宫颖.航天产品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

2009年之后,由于金融危机的冲击,经济中的不确定因素较多,2009年和2010年金融支持GDP增长的技术效率指数分别为0.886和0.937,在劳动力、贷款、保费收入方面均有冗余。2011-2017年,陕西省金融支持GDP增长的效率得到改善,综合效率、技术效率和规模效率稳定,且多维持在各项经济效率均为有效的状态,说明2011-2017年以来,金融支持GDP稳定增长,呈现良好的发展状态。

网红经济主体博弈与网红市场规范管理 …………………………………………………………………… 李元华 方 兰(4/14)

 
杨胜,王曦,李蒙
《航天器工程》 2018年第02期
《航天器工程》2018年第02期文献

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