我国空间站的建设是载人航天工程三步走的第三步,是我国从航天大国迈向航天强国的重要标志。空间站是典型的组合体航天器,本文将借鉴空间站的设计方法构建具有载人航天特色的组合体航天器风险评估模型。

组合体航天器由多舱段在轨组装建造而成,本文构建的组合体航天器由核心舱、实验舱、载人飞船和货运飞船4个飞行器组成,如图1所示。核心舱主要承担组合体的管理和控制功能,是组合体航天器的大脑。实验舱主要承担舱内和舱外空间科学实验和技术实验,根据实际需求组合体航天器可以允许一个或多个实验舱同时存在。载人飞船和货运飞船也称天地往返运输器,是接送航天员和必要物资往返组合体航天器的运输器。

国际空间站(ISS)也是典型的组合体航天器,在组合体形态下由美国段进行控制,各舱段间仅在变轨期间有简单的协调工作能力,即俄罗斯段和货运飞船在组合体变轨时可以根据美国段的指令开关轨控发动机完成组合体变轨。此类设计属于最初级的融合性设计,长期在轨运营期间如果美国段出现故障,整个组合体则失去正常运营能力。

图1 组合体航天器结构示意图
Fig.1 Structural sketch of combined spacecraft

组合体航天器各舱段都应具备独立飞行3年以上和组合体运营10年以上的能力。如果可以合理地利用各舱段的独立飞行能力,在核心舱对组合体航天器失去控制能力时由其他舱段进行控制将大幅提升组合体航天器长期在轨运营的可靠性。本研究将对组合体航天器双舱控推系统建立PRA(概率风险评估)模型,对比组合体航天器应用多舱融合性设计和未应用多舱融合性设计可靠性的不同。

PRA是多种安全性分析技术的综合集成,是一种全面的、结构化的、逻辑的分析方法,是对复杂系统进行风险评估的一种重要工具^[1],在航空航天、核电及石化等众多领域得到了广泛应用。早在1960年的“阿波罗登月计划”中,NASA就曾用定量分析方法对航天系统成功完成飞行任务的概率进行了计算^[2],后续在航天飞机、国际空间站及探月飞船等项目中也均采用PRA进行了定量风险评估^[3-8]。2002年,NASA公布了“概率风险评估过程指南”,该指南总结了NASA历年来的概率风险评估经验,综合集成了NASA在航天项目中的概率风险评估方法,具有重要的理论和应用价值^[9-10]。NASA于2002年公布了V1.1版本的“航天应用的故障树手册”^[11],标志着PRA模型正式成为航天系统可靠性分析的标准规范之一。

应用PRA可以帮助设计师更加直观、深入地了解复杂系统并对其风险进行评估。PRA方法不仅考虑后果事件的严重度,还会给出其发生可能性的大小^[12]。PRA技术可以基于事故场景有效识别系统设计当中存在的薄弱环节及未来长期运营可能发生的潜在风险,并对其进行定性和定量分析,区分出不同影响因素对风险影响的重要程度排序,为系统决策者提供真实可靠的风险信息。

本研究的重点是对比组合体航天器应用融合性设计和未应用融合性设计两种方案在可靠性上的差别。设R₁为未应用融合性设计的风险,R₂为应用融合性设计的风险,δR₂₁为相对风险率,则δR₂₁=(R₂-R₁)/R₂。评价指标的权重作为综合评价的关键,其权重的取值将直接影响评估结果^[18]。设组合体航天器控推系统异常为比对准则,第一层准则定义出系统的主要功能,第二层准则按照故障树将第一层准则细分。通过权重计算对控推系统功能进行重要度排序依次为:姿控力矩功能,轨道控制功能,姿控发动机指令控制功能,姿态测量功能。表3为重要性权重示例。

表3 重要性权重示例
Tab.3 Example of importance weight

设未应用融合性设计且所有底事件均发生,即:C₁₁,C₁₃,C₂₁,C₂₂,C₃₁,C₃₃,C₄₁,C₄₂同时发生为“设计1”。设应用融合性设计且所有底事件均发生为“设计2”。设计1与设计2具有相同的功能设计,设计1为参考设计方案,其风险贡献量的比率设为1。表4为参考设计与可选设计方案之间的相对差比。相对差比强调设计差别,其计算式为(C_i⁽²⁾-C_i⁽¹⁾)/(C_i⁽¹⁾)-1,式中C_i⁽¹⁾和C_i⁽²⁾分别为设计方案1和设计方案2的影响因素的影响量。

表4 设计方案的相对差比
Tab.4 Relative difference ratio of design scheme

从表4可以看出,组合体航天器控推系统的4种Ⅰ类和Ⅱ类故障通过融合性设计改进后其相对差比均为负。所得相对风险评估结果为:控推系统Ⅰ,Ⅱ类故障发生概率相对减少21.1%,融合性设计使组合体航天器控推系统的可靠性明显提升。再结合表3中第一层和第二层准则的权重,充分利用权重蕴含的潜在信息^[19],给出系统应用融合性设计建议:建议控推系统大范围应用融合性设计,如果不能大范围应用则应该以姿控力矩功能、轨道控制功能、姿控发动机指令控制功能和姿态测量功能的顺序应用。

为验证组合体航天器融合性设计对可靠性的贡献,选取了组合体航天器的控推系统为研究对象,以Ⅰ,Ⅱ类故障作为底事件,分别对应用融合性设计和未应用融合性设计的系统构建故障树模型。然后,根据组合体航天器的特性分析了控推系统的权重和两种设计方案的相对差比,采用相对风险评估方法,得到应用融合性设计控推系统Ⅰ,Ⅱ类故障发生概率降低21.1%和控推系统各功能的重要度排序。从风险的角度建议决策者全系统或根据重要度排序逐步应用融合性设计。所采取的两种设计方案相比对的分析方法在工作量与完备性之间有较好的平衡,未来的工作中应进一步完善评估方法并将其通用化。