夏侨丽 侯永青 李伟
(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)
1992年9月21日，中国载人航天工程“三步走”发展战略获得正式批准。2003年10月16日，杨利伟乘神舟五号安全返回，标志着我国已经独立掌握了载人航天技术；
2016年6月—2017年4月，成功实施了空间实验室阶段4次飞行任务，天宫一号先后成功与神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船完成交会对接，标志着我国已经突破空间交会对接技术；
2021年4月29日，天和核心舱发射成功，标志我国已全面转入空间站在轨建造阶段。
安全可靠是载人航天工程的首要目标，所有“三步走”发展战略目标的实现，都贯穿了安全性、可靠性和维修性设计理念。14次载人飞船成功发射并安全返回；
天宫一号在轨正常运行超过4.5年，完成多次交会对接任务并实现航天员中期驻留；
天宫二号在轨运行接近3年，并完成组合体控制、在轨推进剂补加技术和在轨维修技术验证，为建造空间站奠定坚实的技术基础；
截至2022年12月，天和核心舱在轨运行超过1.5年，问天实验舱和梦天实验舱已成功与核心舱交会对接并完成了转位，空间站三舱组合体已经建造完成，正式进入长期运营阶段。载人航天工程通过系统的安全性、可靠性、维修性工作，实现了航天器长期在轨稳定运行，保证了航天员安全，并成功实施各项任务。同时，针对载人飞船、空间实验室、空间站的不同任务特点，为满足长寿命高可靠的目标，也牵引了载人航天器的安全性、可靠性和维修性设计、验证与评估技术实现了跨越式发展。
本文总结了安全性可靠性和维修性技术在神舟飞船、空间实验室和空间站项目中的工程实践以及取得的突破，展望了后续研究方向。
1)载人安全性要求高
确保航天员的生命安全，是载人航天的首要任务。载人飞船上升段的力学环境、航天员在轨驻留期间可能面临的失火、失压、有毒有害气体、高压电均是威胁航天员安全的危险源，空间站任务过程中，航天员频繁出舱活动面临的空间辐照、舱体表面电位、舱外活动风险以及载荷照料过程中可能存在的高热、微生物、有毒有害气体等也是影响航天员安全的重要因素；
此外，航天器长期运行过程中可能发生平台设备故障，也会间接影响航天员生命安全。载人航天器存在的危险源多，航天员在轨驻留时间的延长以及复杂的航天器任务可能引入新的危险源，全面且准确识别载人航天器的一般危险源和故障危险源，有效的结合产品本质安全性设计和在轨处置等措施消除危险源、控制危险后果，并对安全性进行合理的验证与评估，是载人航天器安全性工作的重点。
2)在轨运行寿命长
从载人飞船在轨飞行7天，到空间实验室设计寿命2年，再到空间站建造完成后至少运行10年，载人航天器的运行寿命要求不断提高。载人航天器运行的低轨空间环境，具有等离子体稠密、温度交变频繁、原子氧密集的特点，影响包括舱体结构、舱外太阳翼电池片等产品的使用寿命；
而航天器产品在长期飞行过程中持续工作，也会逐渐消耗自身寿命。如何实现载人航天器长寿命稳定运行，给产品和系统寿命设计均提出了更大的挑战，需要在提高设备自身固有寿命的基础上，结合系统资源余量配备、使用模式设计以及在轨维修处置等手段，共同实现航天器的高任务寿命要求。
3)任务要求复杂，分阶段逐步递进实施
随着载人航天工程“三步走”发展战略的实施，载人航天器在轨运行寿命不断延长，相应的任务要求不断提高。载人飞船阶段实现了安全载人发射并返回的任务，空间实验室阶段完成了空间交会对接和支持航天员中期驻留任务，而空间站阶段的任务则更加复杂。
我国空间站采用在轨分阶段组装建造方案，经历核心舱单独飞行、来访飞行器交会对接与停泊、实验舱对接与转位的复杂组装建造过程，具备50余种复杂构型变化与控制能力，需开展包括推进剂补加、航天员出舱活动、机械臂舱外巡检、开展低轨微重力条件下的科学实验等多种任务。按照空间站工程任务规划，在维持平台运行良好的基础上，支持航天员长期不间断驻留，并且年均完成各项复杂专项任务不少于15次。
载人航天器具有任务需求愈加复杂，且因阶段变化的特点，增加了安全性、可靠性、维修性设计、验证与评估工作的难度，如何构建一个覆盖地面研制和在轨飞行阶段的验证和评估体系，有效支撑载人航天器产品可靠性持续增长、支持发射决策和在轨运行风险评估，是必须要解决的一个难题。
4)在轨可维修
载人飞船阶段和空间实验室阶段主要通过设备自身的高可靠性设计来确保航天器在轨不出故障，航天器的运行寿命也由设备自身固有寿命决定。与之不同的是，空间站具有支持航天员长期驻留的能力，航天员可以对航天器平台进行照料，为在轨维修提供了必要条件。“国际空间站”通过大量的维护维修工作，对运行过程中的重大故障进行了修复，并先后进行了两次系统延寿，到目前为止已在轨运行超过20年。在轨维修是延长空间站运行寿命，并维持任务可靠性的有效手段。
载人航天器安全性、可靠性和长寿命要求高，在轨维修风险大，保障支援困难的特点，决定了必须以安全性、可靠性为中心，开展安全性、可靠性、维修性一体化设计、验证与评估工作。伴随着载人航天“三步走”发展战略的实施，安全性、可靠性、维修性技术得到了创新实践和持续发展，载人飞船和空间实验室实现了“一重故障工作、二重故障安全”，空间站在此基础上进行了进一步的扩展，实现了“一重故障工作，二重故障不影响航天员驻留，三重故障仍安全”，确保在航天员安全之外，还具备连续支持航天员驻留和空间科学实验与技术试验的能力。
2.1 载人飞船阶段
神舟飞船的主要任务是将航天员安全地送达太空并安全返回，围绕保航天员安全这一目标，在载人飞船阶段系统开展了危险原识别与危险分析、系统级可靠性安全性设计、电子产品可靠性设计，实现了飞行器系统和产品设计可靠性提升；
在此基础上，开展了产品关键重要特性识别与量化控制，进一步保证产品实现过程的可靠性；
建立了一套基于贝叶斯方法的系统可靠性、安全性评估方法，实现了安全性、可靠性指标的量化评估。
1)危险源识别与危险分析
根据航天器任务剖面，从航天员所处环境、参与操作、次生影响等方面建立了危险源索引，包括失压、失火、高温、高电压、有害气体等一般危险源，支持全面识别危险源。开展了危险分析工作，确定了以消除危险为基础，辅助告警、自动处置、控制影响域等手段为补充的安全性设计原则，控制危险后果。此外，在危险源识别中引入故障危险源这一因素，结合故障模式影响分析(FMEA)识别故障后果严酷度高的产品，通过采取可靠性设计措施提高产品和功能的任务可靠性，从而保证飞船的安全性。
2)系统专项安全性、可靠性分析与设计
针对神舟飞船的任务需求开展了任务功能分解，对影响平台基本运行的结构承载与密封功能、供配电功能、姿态轨道控制功能、设备热管理功能、信息管理功能，以及影响航天员安全的载人环境控制功能、着陆返回功能，和出舱活动、交会对接具体任务相关功能，着重开展可靠性、安全性分析与设计工作。
通过硬件FMEA方法从下至上遍历所有航天器产品的故障模式，识别可能造成航天员伤亡或航天器损毁的I类故障，以及造成航天员应急撤离或主要任务无法完成的II类故障；
在此基础上以I、II类航天器级故障模式为顶事件，采用从上之下演绎的方法进行故障树分析(FTA)，进一步识别可能导致不期望事件发生的重要程度高的设备故障。结合FMEA和FTA，识别航天器可靠性薄弱环节，为针对性采取可靠性设计措施提供依据。
采用冗余设计、裕度设计、余量设计等措施，提高航天器系统的任务可靠性，开展飞行程序设计和在轨故障模式与对策设计，确保飞行过程中产品工作时序正确，应对故障的措施有效。
3)电子产品可靠性设计
针对电子产品的可靠性影响因素，开展了包括热设计、降额设计、抗力学环境设计、抗辐射设计、电磁兼容设计和静电放电防护设计6要素设计，并全面进行了元器件筛选和控制，提高电子产品固有可靠性，减少在轨随机故障的发生。
4)关键项目过程控制
基于可靠性、安全性分析，识别航天器关键项目和关键产品，作为产品研制过程中的重点，在管理上对关键项目的设计与验证方案、验证结果、产品验收等环节加严控制，技术上针对关键产品开展关重特性分析，针对性制定量化控制措施，并且在产品研制过程中有效落实。通过关键项目过程控制，进一步使设计可靠性有效落实到设备中。
5)可靠性验证与评估
为解决航天器产品小子样的问题，应用了贝叶斯评估方法进行任务可靠性评估。围绕评估目标，系统分析各类产品的可靠性评估模型、可靠用评估用数据源，有针对性策划可靠性定量验证试验。在使用贝叶斯法方法时，从元器件的在轨飞行失效率验前信息出发，将失效率预计值转换为置信上限，都折合为指数分布，作为验前信息进行评估，联合单机、分系统和航天器各级的现场试验信息，评估航天器可能达到的可靠度。
6)安全性评估
载人飞船以航天员在轨安全性为目标，采用俄罗斯在联盟-TM飞船上所使用的条件概率公式，在可靠性评估的基础上进行安全性定量评估。计算各任务阶段飞船主要功能及保障航天员安全的应急措施的安全概率，对飞船全任务过程的安全性得出定量评估结果。航天员在舱内安全概率的设计评估取决于设备故障。当载人飞船可靠运行时，认为满足航天员安全性要求。载人飞船发生非平台关键分系统故障时，不采用应急返回，认为此时飞船满足航天员安全性要求；
平台关键分系统故障时，采用载人飞船应急返回功能作为救生手段。载人飞船的安全性定量评估方法已成功应用至其他载人航天器。
2.2 空间实验室阶段
在载人飞船阶段可靠性、安全性工作的基础上，创新开展了飞行事件保障链分析工作，采用静态FMEA、FTA结合动态时序分析的方法全面识别任务风险，并进行了自主安全模式设计，保障了空间实验室无人值守期间的安全性；
此外，针对空间实验室接受载人船对接并停泊的特点，开展了多飞行器组合体管理设计，实现了舱段间功能融合使用，应急状态下可以接管控制。同时，成功对部分软件和设备实施了在轨维护，进一步提高了安全性[1-2]，也为后续空间站全面实施在轨维修进行了技术验证。
空间实验室阶段主要开展的安全性、可靠性维修性工作包括以下内容。
1)飞行事件保障链分析
以飞行事件链为线索，递进剖析单步飞行时序动作，识别从指令发出、到响应执行至效果反馈，全控制链条上可能导致安全风险的关键事件和薄弱环节。通过飞行事件保障链分析，从动态分析的维度，补充了I期利用FMEA、FTA、危险源分析进行静态分析的不足，从而更全面的识别航天器的安全性、可靠性薄弱环节。
2)自主安全模式设计
开展了在轨故障自主控制设计，通过在轨状态监测和自主健康管理，和安全模式设计，解决了空间实验室无人值守期间的安全性问题。采用概率风险评估结合FMEA的方法，分析风险传播路径，对风险传播路径中关键事件状态的多点监测，对在轨运行状态或潜在风险事件实时诊断，通过信息融合，实现风险事件诊断后自主进入安全模式，为飞行器在轨运行安全，又增加一道危险防控措施。
3)组合体管理设计
发挥载人飞船停泊空间实验室过程中，多舱段组合的特点，开展了组合体管理设计。实现在空间实验室的危险防控措施无效的情况下，出现威胁平台安全的故障时，隔离并切除故障设备，通过信息系统调配其他舱段的同等功能设备，接替工作，进一步消除运行过程中的危险。
4)在轨维修技术验证
开展了对载人航天器维修性设计体系的研究，基本明确了载人航天器维修性设计体系由维修性设计、维修性验证、维修性评价和维修性管理构成；
并提出了维修性设计的具体内容包括确定维修原则、分析维修需求、规划维修任务、设计维修模式；
探讨了维修验证的途径为综合采用仿真验证、实物试验验证和在轨飞行验证方法；
从飞行工程师评价和航天员评价两方面对维修性评价进行了细分[3]。初步构建了载人航天器维修性设计体系。
结合航天员在空间实验室驻留期间，需要对环控生保连接软管、净化器、水箱等设备进行维护和操作的任务要求，设计了在轨操作管路系统、机械与电气接口、操作人机工效以及软件在轨更改升级的验证项目，为空间站全面实施可维修性设计奠定了技术基础。
2.3 空间站阶段
为了实现空间站10年寿命，并持续高可靠运行，必须结合在轨维修，在轨维修是延长空间站运行寿命，并维持任务可靠性的必要手段。空间站全面考虑了安全性、可靠性和维修性之间的关系，系统实施了安全性、可靠性、维修性一体化设计。以固有可靠性设计为基础，以在轨维修为补充，通过备件保障支持，共同实现任务寿命与可靠性要求。以FMEA、FTA和寿命分析为基础，识别寿命与可靠性薄弱环节；
开展以可靠性为中心的维修性设计，从寿命、故障后果以及冗余度方面全面识别空间站维修项目；
在此基础上开展了维修安全性设计，确保系统在运行状态下可安全插拔替换设备，同时通过设计和防护手段实现航天员安全操作且无误操作；
综合在轨设备故障对系统安全性和可靠性的影响，以及系统冗余设计、功能裕量，制定天地一体化维修备件存储策略，保障在轨维修可实施。通过安全性、可靠性、维修性一体设计实现最小保障成本下空间站最优效能。
安全性、可靠性、维修性一体设计过程如图1所示。
2.3.1 安全性、可靠性、维修性一体设计原则与需求分析
分析空间站任务要求和环境剖面，根据产品的成熟度、寿命与固有可靠性水平，在轨飞行环境下保障支援模式和约束，航天员人时有限的特点，围绕空间站寿命、安全性和可靠性指标要求，确定安全性、可靠性、维修性一体设计原则。按照一体设计原则明确安全性、可靠性、维修性定量、定性设计要求。将安全性、可靠性、维修性指标进一步分解至乘组安全性指标、安全撤离指标、自主飞行可靠性指标、组装建造任务可靠性指标、维修时间等；
同时明确包括冗余设计、裕度设计、故障检测、维修可视可达、环境防护等要求。
2.3.2 以可靠性、安全性为中心的维修性设计与验证
在空间站任务中，全面实践了二期积累的载人航天器维修性设计体系，并在安全性、可靠性与维修性权衡设计，在轨维修策略制定，以及维修仿真结合地面试验验证方面，进行了全面扩展和持续深入。
探索了以可靠性、安全性为中心的在轨可维修性设计技术，采用逻辑决断的方法确定维修需求，综合空间站产品的寿命分析、FMEA和FTA进行维修需求分析，识别寿命薄弱环节和可靠性关键设备，作为维修性设计的对象；
根据设备寿命损耗特性和可靠性建模与预计的结果确定维修策略，综合安全性、可靠性、测试性和保障性确定在轨可更换单元，考虑故障发生概率接近的部组件为更换单元，通过可靠性和维修性综合设计确保维修需求识别全面、准确，同时维修策略合理。针对维修项目，开展维修安全性分析，分析实施维修过程中，切除故障设备后对空间站系统的安全性影响，明确系统可以维持安全运行的最大允许维修时间，作为维修方案的约束；
此外，分析在轨维修实施的环境、维修步骤、维修操作工具、维修次生危险源对航天员的危害，采取消除危险或有效防护的措施，开展维修安全性设计。
研究了面向任务需求的在轨维修地面验证方法，建立了在轨维修混合式仿真验证平台，提出了在轨微重力和真空环境下进行维修的可视性、可达性及维修操作时间的仿真验证方法[4]，以及零重力局部环境模拟的维修性验证平台[5]，对空间站上所有维修项目进行了有效验证。
2.3.3 天地一体化备件存储设计
空间站是在轨飞行的同时，在系统不停机的情况下实施维修，需要系统快速恢复可靠性和安全性，故障设备的备件能否获得就成为了系统能否从故障中快速恢复的制约因素。在轨存储维修备件是一个有效的解决办法，然而空间站密封舱内空间有限，在轨只能少量存储维修备件和工具，主要依靠货运飞船发射运输维修物资。由此，空间站维修保障支援时间长，难度大，备品备件的储备策略需要兼顾空间站故障后果和货运飞船发射任务规划。
为既保证备件在轨可及时获得，同时可在在轨有限存储空间存放，空间站维修备件采用了在轨结合地面存储的方式进行储备。以保证空间站运行可靠、航天员驻留安全和主要任务成功为目标，故障后果严重且紧急的设备在轨存放备件；
故障后果不严重或不紧急的设备，在地面存放备件，故障发生后通过系统自身的容错能力继续运行，由最近的货运飞船发射备件，实施维修更换。地面备件的投产规划与备件上行时机匹配，在备件发射前提前研制完成，备件一旦消耗，立即补充，实现滚动存储。
地面存储备件的存储形式则分为整机存储和散件存储，散件存储即储备状态为元器件、印制板、机械部组件。整机存储可以在较短的时间内具备发射上行状态，而散件存储需要更长的装配和测试时间，但散件状态存储的同个型号的器件或部组件可以为多台不同产品供货，可有效降低成本，储备效率更高。可根据故障紧急程度和备件发射上行规划共同决策确定备件储备状态。备件决策流程如图2所示。
图2 一体化备件决策流程Fig.2 Decision making process of spare parts
2.3.4 多任务多舱段可维修组合体的可靠性验证与评估
空间站是分阶段组装建造完成的，是典型的多任务多舱段组合可在轨维修航天器，具有可靠性指标内涵复杂，评估对象随着舱段组装动态变化，可通过在轨维修恢复使用可靠性的特点，对产品的寿命与任务可靠性要求高，量化验证试验子样需求量大，成本高昂。如何保证多任务、多舱段间组合、在轨维修等因素影响下可靠性建模的准确性，以及验证试验策划的合理性，是必须要解决的技术问题。
1)任务可靠度评估体系
在空间站研制过程中，综合分析了空间站任务剖面、组装建造阶段和长时任务与短期任务特点，明确了任务可靠性定量指标内涵并创新提出了分阶段分任务的评估体系，任务可靠度评估体系见表1。
表1 空间站任务可靠度评估体系Table 1 Reliability assessment system of space station
2)维修支持下的可靠性建模与评估
空间站的可靠性、安全性是在维修支持保障下实现的，关注的是安全性、可靠性、维修性一体化设计下的任务可靠性，以及基于单机设备规定时间完成规定任务能力的系统安全性。空间站创新应用了在轨维修支持下的可靠性、安全性评估方法，评估过程中，任务时间的确定以及系统可靠性建模需考虑维修和保障因素[2]。
首先进行单机产品维修性设计的检验，确认单机是否为在轨可更换单元，进一步对单机紧固件拆卸、电连接器插拔、防泄漏设计、安装精度保证、接插件操作空间以及单机自身维修性设计进行检验，检验维修方案是否经过地面验证可行；
其次进行系统支持的可维修设计检验，包括故障检测定位和隔离、总体布局的可视可达性设计、故障件供电信息可隔离、修复后可检测等方面检验，检验维修时间是否在系统允许维修时间内；
在确认维修可行的基础上，进一步检验保障资源情况，确认是否在轨存有维修备件以及维修操作工具；
针对预防性定期更换产品，确认备件发射上行规划与在轨寿命消耗情况匹配性；
针对出舱维修操作的项目，确认出舱任务安排。
基于维修方案，进行评估模型修正。如果通过维修可行性检验，则视在轨维修符合维修如新的特点，此外在轨存储有备件，经验证可以在系统允许时间内完成维修更换，则近似为在轨的冷备份，按照此原则，将原来系统中的串联无冗余功能和产品，修正近似为冷储备模型或表决模型。模型修正后评估结果较未修正前比较，任务可靠度提高，这与维修保障支持下，系统使用可靠性得的提升的实际相符，验证了该方法的正确性。
3)以任务可靠度为中心的可靠性验证试验规划
根据影响飞行器任务成败的关键产品及其可靠性特征识别，和可靠性信息在研制过程中的产生规律分析，采用以系统任务可靠度为中心的可靠性验证试验优化方法，构建了可靠性验证试验结合研制试验，寿命与可靠性关键部组件试验结合整机试验的验证体系，提出了基于系统可靠性评估模型，在系统任务可靠度指标满足要求的前提下，适度降低功能级冗余中单机设备的任务可靠度，以减少验证所需子样的方法。实现了验证试验在研制过程中前移，有效控制了验证成本，同时保证了验证数据充分。
通过在核心舱上应用，全面识别了包括33类寿命与可靠性薄弱部组件，策划了79项寿命专项试验，78项可靠性定性验证试验，34项定量评估试验，利用以上试验数据，评估核心舱出厂时任务可靠度不低于0.9704，可满足指标要求，其中CMG由最初需要17台高速转子评估子样优化至2台整机结合4台高速转子子样，采用单机结合部组件验证的方法，大大减少了验证成本，并实现了验证时机前移。
空间站建造完成后将进入长期运营阶段，运营过程中将接受40艘来访飞行器对接，将完成超过50次出舱活动任务和多次推进剂补给任务，此外将实施复杂的在轨空间科学实验和技术试验。频繁的大型专项任务，对空间站平台的能源功耗、姿态轨道控制精度、信息处理能力提出很大挑战，平台工作状态是否良好，也直接影响航天员的安全性，安全风险突出，有必要进行运营阶段空间站平台可用性和任务安全评估[6]。而推进剂、气体补给，在轨维修备件储备与消耗，在轨维修更换均会影响空间站平台状态；
同时，地面补给受货运飞船和载人飞船任务规划的约束，空间站平台状态持续动态变化，需要研究多因素影响下的空间站可用性评估以及多任务安全风险评估技术[7-8]。此外，需要开展空间站产品的工作状态评估和寿命预测研究，便于更准确确定维修时机和上行物资规划，将空间站运营效费比最大化。
历经载人飞船、空间实验室和空间站阶段形成的安全性、可靠性和维修性设计、验证与评估技术与方法，为后续载人登月工程多任务耦合、多飞行器组合下的安全性、可靠性与维修性设计与验证奠定了技术基础。此外，由于载人登月任务受到运载推力的约束，必须在不影响航天员安全和任务可靠性的前提下，合理开展系统冗余和裕度设计，控制飞行器发射重量。因此，有必要围绕系统冗余、裕度等裕量，开展高准确度可靠性量化评估方法研究，为不同减重方案的确定提供依据。针对飞行器系统性能余量[9]，应用确信可靠性技术，可以从航天器产品功能分析、性能分析、裕量分析等方面，分析识别关键性能参数和相关性特征，开展性能余量建模和确信可靠性分析[10]，全面总结提取可靠性关键点；
通过航天产品的性能方程、裕量方程与退化方程，评估可靠性定量指标[11]，优化可靠性评估准确性和有效性。
此外，从可持续发展来看，降低运营成本、提高经济性是航天发展的必然趋势，其中可重复使用技术是降低航天任务成本的有效途经[12]。而如何评价重复使用产品的剩余寿命、可靠性与安全性能否满足型号要求，并确定重复使用产品的维护策略与维护周期，都是需要解决的难题，需要针对可重复使用飞行器开展经济约束下的可靠性、安全性设计与评价方法研究。
载人航天工程的成功实施，推动了我国航天器安全性、可靠性、维修性技术的长足发展，基本形成安全性、可靠性、维修性一体设计与验证的技术体系。本文总结了安全性、可靠性和维修性技术在神舟飞船、空间实验室和空间站项目中的工程实践以及取得的突破。展望后续空间站运营任务，由于空间站在轨运行时间长，对安全性和可靠性要求高，参考国际空间站的经验，未来还会面临进一步延长使用寿命的需求，在轨运营支持成本大。只用通过安全性、可靠性、维修性一体化设计，才能既保证系统运行安全可靠，同时又对地面保障支援依赖小，并且可通过简便高效的在轨维修维持并延长空间站服役时间，以创造更大的社会和科学价值，实现最大效能。
安全性、可靠性、维修性工作涉及专业范围广，工作项目类型多，在工程实践中积累了丰富的经验，但是在量化评估方面仍然需要对可工程实践的理论进行进一步探索，以支持空间站长期运营过程中的风险评估相关工作。
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