一切为载人,全力控风险
神舟九号飞船研制团队此次任务的特点,在深入研讨分析神舟八号飞行试验结果,进行综合评估的基础上,找出影响神舟九号载人安全和没有经过飞行验证的新技术等方面的风险和薄弱环节,采取了对现有的设计进行复核、开展专项试验验证和对飞船上的产品质量全过程控制等方面的措施,确保飞船的质量。
进行载人安全性风险识别与控制
保证航天员安全性是载人航天永恒的主题。飞船的载人环境直接影响航天员生命安全,而发生灾难故障最大的风险阶段是发射和返回阶段。对这两个阶段安全性的评估,薄弱环节的分析,是载人飞船安全性控制的关键,这也是科技人员进行载人安全风险识别的重点。
在对飞船载人环境分析方面,科技人员根据任务要求,开展了载人环境专项复核工作,对与航天员安全直接相关的密封舱大气环境、力学环境和辐射环境的设计,以及地面和飞行验证情况进行复核,重点针对各种正常或故障运行模式下,以及可能出现的极限条件下的载人环境保障能力进行复核。同时,由于飞船在载人的情况下,舱壁上将结露;有人在舱内活动,会造成飞船质心偏移;航天员在舱内锻炼也会带来飞船姿态的扰动;舱内各种仪器设备开机,会造成电磁环境,等等。这些情况会对飞船产生什么影响,科技人员都重新进行了一系列的复核。
神九航天员出舱
神九航天员舱内工作风采
在飞船发射和返回关键时段方面,发射段重点对逃逸救生设计进行了重新复核,返回段重点从返回控制、防热和回收三个方面进行复核和控制。
发射段逃逸救生:针对发射段运载故障逃逸可能带来的风险,安排了专门的逃逸设计和相关准则的复核工作,并与运载火箭系统重新进行了数学仿真,重点是吃透原有设计方案和意图,评估是否存在安全隐患。
在返回段返回控制、防热和回收方面,在返回舱返回控制上,神舟九号返回控制和标准弹道继承了神舟七号、神舟八号的设计和参数,经过飞行试验验证返回过程控制稳定,返回控制所使用的推进剂消耗仍有较大余量,过载和落点控制满足设计要求。
在防热结构设计上,针对神舟八号飞船返回的实际情况,开展了防热结构的复核和确认工作,通过气动仿真对外热流分布进行了复核复算,确认整体防热设计满足要求;进行了神舟九号批次的防热材料烧蚀试验,表明材料密度、强度、导热系数和烧蚀性能关键参数满足要求;复查了防热结构实施工艺,胶接面积经探伤满足设计要求。通过上述工作表明,神舟九号返回舱防热结构设计合理,产品过程控制符合要求,归零措施已落实到位,风险都在可以控制的范围内。
在回收着陆可靠性上,神舟九号进一步开展了回收仿真和单机复查工作,并重点对神舟九号飞船用产品的研制过程进行严格控制;为进一步分析和评估神舟九号飞船回收着陆分系统的动力学特性和工作时序设计的合理性,并对整个系统进行了专项仿真试验验证。仿真试验表明,减速伞和主伞的开伞高度、速度等,都与神舟八号时的仿真结果相近,所有这些参数都在飞行和空投试验验证范围之内。
神舟九号装船设备共计711台,包括上行物品69台。飞船软件配置88项。如此多的设备和软件,保证全部正常,难度极大。研制团队对这些设备和软件出现单点故障的模式进行了分析,识别出20台设备出现单点故障的模式,全部采取了可靠性设计措施,作为分系统或系统级关键项目进行控制,并进行了充分的试验验证,确保单点故障所涉及的产品或组件在设计上有足够可靠度,将风险降至最低。
进行首次手控交会对接风险识别与控制
由于神舟八号交会对接飞行均采用自动运动控制,没有人工手动控制的经验,而神舟九号将进行航天员手控交会对接和撤离,因此存在着新技术的风险。同时,神舟九号手动控制是作为自控系统的备份而设计的,在此次任务中,作为主任务来使用,存在着单点故障的风险。科技人员对如何控制这些风险采取了对策和大量的试验验证。
医监医保进入返回舱
组合体状态正常
我们知道,在人工手动控制交会对接中,制导导航与控制分系统将唱“主角戏”。为了消除风险,研制团队针对手控交会对接设计,在开展制导导航与控制分系统测试试验的基础上,专门安排了模拟舱和人工手控交会、撤离试验,选拔了从未参与人控试验的2组人员作为试验人员。在两组人员的试验中,全部参试人员控制精度、时间和推进剂消耗都完全能够满足要求,试验结果表明人控系统设计合理,便捷灵活,飞行品质良好,即使是从未触摸过交会对接设备的人,在专业人员的指导下,也可以很快地学会操作设备,进行目标寻找、瞄准、修正,直至与目标交会对接。
与此同时,科技人员还针对神舟九号人工手控交会对接进行了专项复核,针对复核中识别出的仪表显示、激光雷达和轨道舱综合线路等可能出现的故障模式,技术人员设计了备份切换或利用自控系统测量数据备份的故障预案,通过执行预案,一旦发生类似的故障,可以确保交会对接继续进行。同时,在人工手动控制过程中,如果姿态平移控制手柄、仪表手控面板等设备发生故障,技术人员专门设计了终止手控交会,启动人控正常撤离等措施,保证飞船切回到自动控制系统,以保证航天员的安全。
在航天员手动控制交会对接过程中,地面将通过各种测量数据,实时判断航天员的一举一动。如果航天员在规定的时间里没有成功对接,地面人员将及时指导航天员操作,或者指挥他们终止操作,撤离到安全距离,从而为人工手动交会对接加上了“保险”。
进行自主交会对接新模式的风险识别与控制
神舟八号与天宫一号采用的是后向交会对接的方式,也就是说,飞船从后边在追赶天宫一号的过程中实施交会对接。神舟九号将实施的前向前对接、各段撤退和140米近距离长时间停泊等交会预案和备份措施的飞行验证,都是此次飞行将实施的新模式。针对神舟九号将实施的新模式,研制团队在神舟八号仿真试验的基础上,根据神舟九号任务进行了新的一轮交会对接联合仿真。结果表明,所采取的控制策略和控制参数合理,控制精度满足要求,控制结果与神舟八号结果基本一致。此外,还进行了光干扰试验、对接时序等多项试验。
进行组合体驻留支持风险的识别与控制
由于执行神舟九号任务的航天员将首次进入天宫一号目标飞行器,所以舱内载人环境的保证和航天员的操作就存在着风险。针对组合体载人环境的风险,研制团队反复进行相关技术指标的复核。针对航天员在目标飞行器操作方面的风险,安排了对天宫一号飞行状态评估、组织以航天员操作推演方式完成了航天员操作程序的复核、安排了航天员撤离专项试验。复核结果表明航天员操作设计合理可行。
同时,对航天员进入目标飞行器后呼吸产生的湿气结露的影响进行了复核,结果表明科技人员对目标飞行器舱内可能结露的舱壁面采取的加热措施,可以保证不因结露而对舱壁结构造成腐蚀和损伤。航天员锻炼引起的姿态扰动在姿态控制允许范围内。
此外,围绕自动和人工控制交会对接方案验证、可靠性和安全性设计验证等3个方面,在神舟九号出厂前,技术人员安排了15项专项试验,主要有:在交会对接方案验证项目方面,进行了CCD目标特性试验、交会对接联合仿真试验、人控近距离闭环试验、九自由度试验、载人飞行在轨紧急撤离船器联合试验、EMC专项试验、中继外场试验、组合体EMC试验、整船EMC试验、可靠性和安全性验证试验、电源拉偏试验、对接时序拉偏试验、环控液路试验、单机电压拉偏试验、回收时序仿真试验、推进液路密闭管路压力爬升特性验证试验、返回舱滚动发动机喷流回流影响验证试验、上下行物品复核等试验。