國外載人航天器維修性標準綜述

張 杰，朱 欣，尹玉梅，王維鑫

（北京空間科技信息研究所，北京 100094）

1 引言

隨著中國載人航天器在軌飛行時間的不斷延長，長壽命設計逐漸成為載人航天器總體設計的重要內容。為保證空間站在軌長壽命、高可靠運行，除提高飛行產品固有可靠性外，還必須結合可靠性開展維修性設計、分析及驗證工作。

載人航天器在軌維修是在空間環境下對載人航天器平臺設備和有效載荷開展的維修活動，其維修環境特殊，維修資源受限，有著嚴格的維修時間限制，還要確保航天員與載人航天器平臺的安全。鑒于在軌維修的特殊性，對載人航天器維修性工作提出了很高要求。

國際空間站最初設計壽命15 年，通過采用以可靠性為中心的維修策略，對故障后果很嚴重的設備采用預防性維修，已延壽至20 年，至今仍在軌安全、可靠運行。

在2018 年前，國內現行有效的軍用維修性標準主要包括GJB 368B-2009《裝備維修性工作通用要求》等［1-6］，這些標準主要針對地面武器裝備展開，不能直接應用于載人航天器?；诖丝紤]，為支持中國空間站在軌穩定運行需要，中國載人航天工程辦公室已組織完成CMS 67-2018《空間站可維修產品的維修接口設計要求》［7］、CMS 113-2022《空間站可維修產品在軌維修手冊編寫要求》［8］的編制發布，并啟動《載人航天器飛行產品維修性要求》系列標準“第1 部分：通用要求”、“第2 部分：設計要求”的編制工作。

目前，針對中國載人航天器長壽命、高可靠的維修性工作尚缺乏系統完善的標準提供指導和支撐。標準作為成熟經驗和技術的載體，可作為學習、參考和借鑒國外載人航天器維修性技術及實施方案的有效資源。本文通過對國外載人航天器維修性標準的研究、引進和消化、吸收，提出建設中國載人航天器維修性標準的建議。

2 國外載人航天器維修性標準構成分析

國外載人航天器（以國際空間站為典型代表）開展維修性工作使用的標準構成如圖1 所示，全面覆蓋了國際空間站平臺及有效載荷的維修性技術、管理／產品保證要求。在維修性技術方面，規范了維修性設計、分析、驗證與評價及維修手冊的技術要求。在維修性管理／產品保證方面，規范了各參與國之間的維修性管理與產品保證方面的統一化要求。

圖1 國外載人航天器維修性標準構成Fig.1 Composition of foreign standard for manned spacecraft maintainability

國外載人航天器維修性標準類型較為廣泛，其構建思路是充分利用維修性基礎標準，并將其作為指導／參考標準，結合載人航天器維修性特點制定專用標準。

為便于給中國載人航天器維修性標準規劃建立參考，本文從維修性專用標準、基礎標準、配套標準三方面對國外載人航天器維修性標準構成進行分析，從而選取重要維修性專用標準進行重點分析和參考。

2.1 維修性專用標準

國際空間站根據載人航天器平臺及有效載荷的特點，構建了多項維修性專用標準。

1）建立了1 項頂層標準SSP 30313《國際空間站可靠性維修性分析手冊》，作為國際空間站開展維修性分析的頂層文件。

2）針對國際空間站平臺設備，專門制定了在軌飛行維修手冊、艙內安裝／卸載程序JSC-48513-4A《國際空間站維修＆ 維修小組（MRG）在軌飛行維修手冊》［9］、《飛行維修——艙內安裝／卸載程序》，對空間站平臺需要維修的常見設備的維修程序進行了詳細規定。

3）歐空局針對空間站有效載荷，制定了專門的維修性保證要求、維修手冊及維修計劃指南。首先，針對有效載荷，專門制定了產品保證要求頂層標準GPQ-010《有效載荷項目的產品保證要求及其附錄》［10-15］，對于有效載荷需要遵循的維修性基本要求進行了規范，并針對國際空間站上執行不同飛行任務的有效載荷（國際空間站ESA 研究設施、中短期任務的ESA 研究載荷、國際空間站在軌不能維修的ESA 有效載荷、國際空間站壓力艙的實驗飛行設備、艙外暴露的AO 實驗飛行設備等）制定了不同的可靠性＆ 維修性要求；其次，針對有效載荷，建立了以安全性為中心的維修性（維修手冊），目的是為國際空間站有效載荷設計工程師實施維修要求建立設計準則，并對維修性要求開展相應的驗證和測試；然后，針對有效載荷，建立了在軌維修以安全性為中心的方法——《GPQ-MAN-05 維修計劃指南》［16］，目的是提供給國際空間站有效載荷研制者指南和指令來建立和實施合適的預防性維修分析流程，識別所有可用的預防性維修任務，并按照國際空間站要求保障國際空間站有效載荷。

4）針對在軌可更換單元，專門制定了MSFCHDBK-3074《在軌可更換單元的選擇方法》［17］，通過建立艙內和艙外可更換單元選擇的通用準則，為確保飛行系統在軌可支持提供適應性和可操作的詳細指導。

2.2 維修性基礎標準

國際空間站維修性工作開展依據標準除其制定的維修性專用標準外，各艙段負責國充分利用其已有標準資源開展維修性工作，如美國負責艙段以美軍、NASA 制定的維修性標準為基礎，歐空局負責艙段以ECSS 制定的維修性標準為基礎，相關的基礎標準情況如下：

1） 美 軍 制 定 的 維 修 性 標 準。MIL-HDBK-470A《可維修產品和系統的設計與研制手冊》［18］、DOD-HDBK-791《維修性設計技術》［19］、MIL-HDBK-472《維修性預計》［20］、MIL-STD-2173《以可靠性為中心的維修要求》［21］、MIL-STD-1390《維修等級分析》、MIL-STD-1843《飛機、發動機和設備——以可靠性為中心的維修》［22］等標準，給出了維修性設計與分析、驗證試驗等方面的常見方法，這些標準的內容普適性較強。

2）NASA 總部制定的維修性頂層標準和政策。NPD 8720.1C《NASA 可靠性和維修性項目政策》［23］、NHB 5300.4（1E）《空間系統的維修性大綱要求》［24］、NASA-STD-8729.1A《NASA 航天飛行和支持系統可靠性和維修性標準》［25］，分別從NASA 空間系統進行維修性工作需要遵循的頂層政策、維修性管理及設計與分析驗證等工作項目、維修性需要遵循的技術要求、目標和策略等方面對維修性工作進行了指導和規范，是指導NASA 負責載人航天器維修性工作項目確定和維修性工作開展的頂層依據性文件。NASA 這些標準是指導美國負責艙段及相關工作開展的依據性文件。

3）ECSS 制定的維修性頂層標準。主要是ECSS-Q-ST-30C《空間產品保證——可信性》［26］，該標準主要從維修性管理、設計與分析、驗證與評價等方面需遵循的一些頂層要求進行了規定。該標準是指導歐空局負責艙段及有效載荷產品保證工作開展的依據性文件。

2.3 其他配套標準

為全面指導國際空間站維修性工作開展，國際空間站除制定維修性專用標準外，在艙段規范、雙邊／多邊安全性和產品保證要求等標準中也明確了維修性的相關要求，主要覆蓋了以下方面：

1）系統級的維修性要求。各國艙段規范如SSP 41160《哥倫比亞號歐洲空間局艙段規范》、《SSP 41161 美國接地艙段規范》、SSP 41162《美國在軌艙段規范》、SSP 41163 H《俄羅斯艙段規范》、SSP 41165《日本試驗艙艙段規范》等5 項標準，對艙段的系統級維修性要求進行了規范，是指導國際空間站各艙段分系統及單機產品維修性工作開展的頂層文件。

2）維修性保證要求。雙邊／多邊安全和任務／產品保證標準如SSP 50146《NASA／RSA 雙邊安全性和任務保證要求》、SSP 50191《NASA／ESA雙邊安全性和產品保證要求》、SSP 50145《NASA／NASDA 雙邊安全性和產品保證要求》、SSP 50182《NASA／ASI 雙邊安全性和產品保證要求》、SSP 50062《NASA／CSA 雙邊安全性和任務保證要求》等5 項標準，對參與方之間的維修性保證內容進行了規范。

3）與航天員有關的維修性設計要求。SSP 50005《國際空間站飛行乘組綜合標準》［27］規定了相關的設備維修性設計要求以及測試性設計要求。國際空間站所有平臺設備和有效載荷維修性設計均需遵循這些要求。

4）維修等級、主要維修方法、維修工具和保障設備等。SSP 41000D《國際空間站系統規范》規定了維修等級、主要維修方法，艙外活動、艙內活動和設備等。

2.4 小結

國際空間站維修性專用標準已落實國際空間站美國、歐洲等各合作國關于維修性基本標準的要求，并充分結合國際空間站特點制定了GPQMAN-04《國際空間站有效載荷以安全性為中心的維修性（維修手冊）》、GPQ-MAN-05《國際空間站有效載荷在軌維修以安全性為中心的方法——維修計劃指南》、JSC-48513-4A《國際空間站維修＆維修小組（MRG）在軌飛行維修手冊》、GPQ-010《有效載荷項目的產品保證要求及其附錄》及相關5 個附錄、《飛行維修——艙內安裝／卸載程序》等多項維修性專用標準。以上國際空間站專用維修性標準涉及空間站平臺及有效載荷的維修手冊／程序、維修性保證要求、維修性設計與分析要求等方面，以及其以安全性為中心的維修策略及思路，均可為中國空間站維修性標準建設和規劃提供重點參考和借鑒。

由于國際空間站由多個合作國共同建設完成，需要對各個合作國之間的維修性管理／保證要求協商一致并達成共識，在SSP 50062《NASA／CSA 雙邊安全性和任務保證要求》等多項雙邊標準中，以聯合簽署的形式推動維修性管理／保證要求的強制實施與應用。中國空間站由中國獨立建造和運營，在維修性工作開展方面有更多的自主和靈活性，不需要協調不同國家的利益和需求，因此對國際空間站雙邊的維修性管理／產品保證相關的標準不進行重點分析。

3 重要維修性標準解析

3.1 GPQ-MAN-04《國際空間站有效載荷以安全性為中心的維修性（維修手冊）》

GPQ-MAN-04《國際空間站有效載荷以安全性為中心的維修性（維修手冊）》［28］針對國際空間站有效載荷在軌維修的特點，以空間站和飛行乘組的安全為核心，將MIL-HDBK-470A《可維修產品和系統的設計與研制手冊》作為編制基本模型，用于國際空間站有效載荷設計工程師實施維修要求以及開展相應的驗證和測試。

該手冊明確給出了國際空間站有效載荷維修性的定義，以及維修性與有效載荷、有效載荷使用的關系；規定了維修性大綱的目標，從用戶需求和要求開始，還提出了任務過程中的保障約束、維修要求的識別、有效載荷維修性設計要求的計劃與實施要求，以及最終對開始時用戶需求的驗證要求；建立了有效載荷的維修性設計準則，主要包括維修性管理、維修性設計、維修性分析與試驗。

該標準重點強調了以下方面：

1）空間站有效載荷的維修性設計必須以安全性為中心的指導思想，且應在最初開始設計時就定義維修性，并對其進行謹慎評估。制定維修性設計準則時，必須對在軌飛行乘組時間和可用技能、上下行載荷能力、備件可用性、在軌修理能力（如工具、支持／測試設備）以及存儲和安全兼容性等方面綜合考慮權衡。

2） 國際空間站始終強調將可靠性和維修性要求分配到低級別的產品。明確了必須重視可靠性、維修性保證，以確保設計可靠性、維修性不受其他因素的影響，并驗證和提供符合可靠性和維修性要求的證據。

3） 維修性是一種設計和安裝的特性，需要將產品的維修性保證計劃作為其產品保證計劃的重要部分。

4） 維修性分析應與安全分析、人因分析、可靠性分析、維修分析和綜合保障分析相結合。

5） 維修性工作的內容，應涵蓋在設計規范、試驗規范中，并參與其準備和評審。

6） 強調應將相關的分析、試驗和驗證方法標準化，并按標準控制維修性工作的實施。

該標準以安全性為中心開展維修性（維修手冊）標準編制的思想，提出的維修性分配、設計、分析和驗證的思路、要求和方法，強調維修性分析、試驗和驗證方法標準化，并嚴格按標準開展維修性工作，可為中國載人航天器維修性工作開展及相關標準制定提供參考和借鑒。

該標準提出維修性相關要求需要落實在相關文件中。

3.2 GPQ-MAN-05《國際空間站有效載荷在軌維修以安全性為中心的方法——維修計劃指南》

GPQ-MAN-05《國際空間站有效載荷在軌維修以安全性為中心的方法——維修計劃指南》［10］提供了開展預防性維修的詳細技術背景信息，以及識別和定義預防性維修任務的詳細方法（含剪裁方法），用于指導國際空間站有效載荷研發人員和使用人員開展工作。

該指南強調了應根據國際空間站有效載荷的復雜程度來建立維修性項目，重點闡述了維修級別（在軌維修、地面維修和基地維修）以及維修策略類型（修復性維修、預防性維修、視情維修等），并為不同復雜程度的有效載荷的預防性維修任務的評估和識別提供了指導。

該指南關注以安全性和可靠性為中心開展國際空間站有效載荷維修分析工作，針對不同復雜程度的有效載荷，充分考慮了故障對安全、任務和經濟的影響，分9 種情況闡述了以可靠性為中心的維修分析（RCMA）的方法、思路和過程，為中國空間站有效載荷維修計劃指南的編制及實際工作開展提供借鑒。

該標準界定的維修級別、維修策略類型，對中國空間站有效載荷維修具有重要參考價值。

3.3 GPQ-010《有效載荷項目的產品保證要求及其附錄》及相關5 個附錄

該標準由國際空間站應用部門的產品保證和安全辦公室、載人航天理事會、歐洲航天技術中心（ESETC）共同頒布，規定了ESA 載人航天理事會負責有效載荷項目的產品保證要求，適用于有效載荷項目（包括設施、設備、試驗硬件、地面設備和相關的服務和程序）。內容覆蓋所有產品保證要素。

國際空間站很重視有效載荷的維修性工作，將其作為產品保證工作的重要一部分，并針對不同有效載荷類型提出了相應的維修性要求。

GPQ-010《有效載荷項目的產品保證要求》［10-15］針對載人任務、非載人任務將有效載荷進行了分類，并以多個附錄的形式，針對國際空間站ESA 研究設施、中短期任務的ESA 研究載荷、國際空間站在軌不能維修的ESA 有效載荷、國際空間站壓力艙的實驗飛行設備、艙外暴露的AO實驗飛行設備等執行不同任務的有效載荷制定了不同的可靠性＆維修性要求，體現了不同有效載荷維修性的差異性和側重點。

由于國際空間站ESA 研究設施具有長期在軌工作的特點，使得其相比較執行中短期任務的有效載荷以及不能在軌維修的4 種有效載荷存在較大差異。執行中短期任務的有效載荷以及不能在軌維修的4 種有效載荷的維修性工程都必須考慮如下方面：①在每次任務前／后需要進行維修或更換的產品；②預防性維修和修復性維修中，所需備件和工具的數量；③實施維修所需的技能和培訓。國際空間站ESA 研究設施需要考慮更多的維修性要素如建立維修性要求、維修性規劃的維修性輸入、維修性分析、維修性驗證等方面。

該標準充分考慮了國際空間站上有效載荷執行長期或中短期任務、是否能維修、安裝在艙內或艙外的特點，分別提出不同的維修性保證要求，對于中國空間站有效載荷維修性保證工作開展及標準制定具有指導意義。

3.4 JSC-48513-4A《國際空間站維修＆ 維修小組（MRG）在軌飛行維修手冊》

JSC-48513-4A《國際空間站維修＆ 維修小組（MRG）在軌飛行維修手冊》［9］是約翰遜航天中心在國際空間站上在軌維修的手冊。

該手冊的正文從通用艙和節點艙兩方面，分別對國際空間站平臺各系統產品開展的修復性維修程序、預防性維修程序以及故障檢測隔離和恢復程序進行了詳細的介紹。

對于維修產品，該手冊給出了維修＆ 修理的目標、位置、持續時間、零件、材料、所需工具、推薦的維修程序（包括詳細的移動、更換和修理、修理后操作程序等，以及恢復到安全的狀態操作、觀察和清理，以及檢驗等，部分配以示意圖進行說明），并針對飛行乘組修理過程中可能存在的危險，提出了安全警告。

該手冊明確指出修復性維修的工作對象主要是國際空間站通用的命令及數據處理系統、S＆M系統以及國際空間站節點艙C＆T 系統、環境控制與生命保障系統、通信系統與天線系統及電力系統。預防性維修的工作對象是國際空間站節點艙的環境控制與生命保障系統、通信系統與天線系統及電力系統。

目前在國際空間站上的故障檢測、隔離和恢復方面，至少進行了N13B Y-電纜、N14B Y-電纜的安裝和移動以及國際空間站的艙口、PAM1、PAM2、PAM3、Z1 和節點艙泄露情況的故障檢測、隔離和恢復，給出了詳細的檢測、定位、隔離和恢復程序，并指出了在出現不能定位或修理的泄露等問題時應向任務控制中心報告相關情況。

約翰遜航天中心在國際空間站上主要使用了2 種查找故障的方式：①利用數據總線進行故障查找，給出了恢復到安全狀態的操作、軟件配置和安裝、檢測文件建立、設置文件大小、開始存入數據、驗證數據采集情況、退出路徑、完成數據資料記錄、出清存貨的完整程序；②進行連續檢查，給出了連續檢查的目標和位置、檢查的零件、所需的工具等，以及連續檢查的程序等，包括先恢復到安全狀態的操作、建立連續測量、實施以及維修后的操作（關閉示波器）等。

該手冊以附錄的形式給出了國際空間站維修所需的工具、設備等信息及推薦的使用程序，具體體現為：①國際空間站常用維修工具及其推薦的使用程序；②機械硬件，包括緊固件的螺紋類型和脫落電連接器；③電子硬件，包括束線標識、電連接器和艙上工作區電纜；④診斷設備，包括示波表、電源、功能掃描發生器、接線盒等。并對診斷設備的操作程序進行了說明；⑤給出了部件出清存貨控制板。

該維修手冊中詳細規定的修復性維修工作對象及預防性維修工作對象主要涉及國際空間站通信系統與天線系統及電力系統、環境控制與生命保障系統、命令及數據處理系統等系統，對應于中國空間站中供配電分系統、環控生保分系統、測控通信分系統等，也是中國空間站重點關注的維修對象。該維修手冊規定的修復性維修程序及預防性程序、故障檢測隔離和恢復程序、維修工具和設備推薦的使用程序，可實際指導中國空間站維修性工作開展及維修手冊制定。

3.5 《飛行維修——艙內安裝／卸載程序》

《飛行維修——艙內安裝／卸載程序》為俄羅斯飛行乘組在飛行維修中執行艙內安裝／卸載任務所用的程序手冊，該手冊包含了飛行乘組飛行維修和修理操作的信息，并詳細規定了飛行乘組在軌維修的具體職責，強調了必須采取安全預防措施，以保證在軌維修的安全、高效進行。

該手冊中規定了國際空間站的維修對象主要為電力系統、電子VM 系統、艙內復雜控制系統、醫學保障系統、通風系統、洗手間、Orlan-M 航天服、發射約束帶、遙控操作裝置控制系統、對接機構、FGB 供電系統模塊等系統與結構／機構，主要是以空間站平臺各系統為主開展。

該手冊還詳細描述了對于所需要的工具和硬件、具體的操作程序（部分配以示意圖進行說明）以及何時向任務控制中心進行報告等方面，并對于過程中需要注意的地方通過“注”的形式標明，對于危險給出了“警告”以及“小心”以示提醒。

該手冊對飛行乘組在軌維修所承擔的職責進行了詳盡的分析，強調了在軌維修是以人為責任主體，必須執行要求的艙內維修操作，并向MCC報告工作的完成情況。并強調了飛行乘組在實施空間站在軌維修任務時，必須始終以飛行乘組安全作為第一要素，所有工作必須在保證空間站平臺安全和飛行乘組安全的情況下開展，相應提出了詳盡的安全性預防措施。

該手冊強調的以飛行乘組安全和空間站平臺安全為核心開展空間站維修的思想，也是中國空間站開展維修性工作需要遵循及秉承的。其詳細闡述的飛行乘組在軌維修職責，可為中國空間站上航天員在軌維修工作開展提供指導和借鑒。

該手冊中詳細規定的維修工作對象主要對應于中國空間站中供配電分系統、環控生保分系統、測控通信分系統等，也是中國空間站重點關注的維修對象。該手冊規定的安裝／卸載程序，可實際指導中國空間站維修性工作開展及維修手冊制定。

4 結語

1）中國空間站計劃在軌運行時間長達10 年以上，參考國際空間站經驗，載人航天器也應以安全性、可靠性為中心，開展維修性與安全性、可靠性的一體化設計、驗證與評估工作，才能更好地保證載人航天器服役更長時間。

2）中國載人航天器維修性工作的依據性標準尚未形成系統規劃，有必要借鑒國外載人航天器維修性標準建設思路，以中國國家軍用標準、航天行業標準中的維修性基礎標準為基礎，結合中國載人航天器維修性需求及工作特點，圍繞載人航天器維修性設計、分析、驗證與評價全過程，進一步完善中國載人航天器維修性專用標準，重點推動《載人航天器飛行產品維修性要求》系列標準“第3 部分：仿真與分析要求”、“第4 部分：試驗驗證要求”、“第5 部分：評估要求”，全面覆蓋載人航天器維修性管理及技術的相關要求。

3）建議參考國際空間站標準建設經驗，開展以安全性為中心的維修性（維修手冊）及維修計劃指南的編制；針對中國空間站供配電分系統、環控生保分系統、測控通信分系統中常見的維修對象，制定修復性維修程序及預防性維修程序；考慮有效載荷是執行長期、中期或短期任務，是否能維修，以及安裝在艙內或艙外等情況，分別提出維修性保證要求。