国外载人航天器维修性标准综述

张 杰，朱 欣，尹玉梅，王维鑫

（北京空间科技信息研究所，北京 100094）

1 引言

随着中国载人航天器在轨飞行时间的不断延长，长寿命设计逐渐成为载人航天器总体设计的重要内容。为保证空间站在轨长寿命、高可靠运行，除提高飞行产品固有可靠性外，还必须结合可靠性开展维修性设计、分析及验证工作。

载人航天器在轨维修是在空间环境下对载人航天器平台设备和有效载荷开展的维修活动，其维修环境特殊，维修资源受限，有着严格的维修时间限制，还要确保航天员与载人航天器平台的安全。鉴于在轨维修的特殊性，对载人航天器维修性工作提出了很高要求。

国际空间站最初设计寿命15 年，通过采用以可靠性为中心的维修策略，对故障后果很严重的设备采用预防性维修，已延寿至20 年，至今仍在轨安全、可靠运行。

在2018 年前，国内现行有效的军用维修性标准主要包括GJB 368B-2009《装备维修性工作通用要求》等［1-6］，这些标准主要针对地面武器装备展开，不能直接应用于载人航天器。基于此考虑，为支持中国空间站在轨稳定运行需要，中国载人航天工程办公室已组织完成CMS 67-2018《空间站可维修产品的维修接口设计要求》［7］、CMS 113-2022《空间站可维修产品在轨维修手册编写要求》［8］的编制发布，并启动《载人航天器飞行产品维修性要求》系列标准“第1 部分：通用要求”、“第2 部分：设计要求”的编制工作。

目前，针对中国载人航天器长寿命、高可靠的维修性工作尚缺乏系统完善的标准提供指导和支撑。标准作为成熟经验和技术的载体，可作为学习、参考和借鉴国外载人航天器维修性技术及实施方案的有效资源。本文通过对国外载人航天器维修性标准的研究、引进和消化、吸收，提出建设中国载人航天器维修性标准的建议。

2 国外载人航天器维修性标准构成分析

国外载人航天器（以国际空间站为典型代表）开展维修性工作使用的标准构成如图1 所示，全面覆盖了国际空间站平台及有效载荷的维修性技术、管理／产品保证要求。在维修性技术方面，规范了维修性设计、分析、验证与评价及维修手册的技术要求。在维修性管理／产品保证方面，规范了各参与国之间的维修性管理与产品保证方面的统一化要求。

图1 国外载人航天器维修性标准构成Fig.1 Composition of foreign standard for manned spacecraft maintainability

国外载人航天器维修性标准类型较为广泛，其构建思路是充分利用维修性基础标准，并将其作为指导／参考标准，结合载人航天器维修性特点制定专用标准。

为便于给中国载人航天器维修性标准规划建立参考，本文从维修性专用标准、基础标准、配套标准三方面对国外载人航天器维修性标准构成进行分析，从而选取重要维修性专用标准进行重点分析和参考。

2.1 维修性专用标准

国际空间站根据载人航天器平台及有效载荷的特点，构建了多项维修性专用标准。

1）建立了1 项顶层标准SSP 30313《国际空间站可靠性维修性分析手册》，作为国际空间站开展维修性分析的顶层文件。

2）针对国际空间站平台设备，专门制定了在轨飞行维修手册、舱内安装／卸载程序JSC-48513-4A《国际空间站维修＆ 维修小组（MRG）在轨飞行维修手册》［9］、《飞行维修——舱内安装／卸载程序》，对空间站平台需要维修的常见设备的维修程序进行了详细规定。

3）欧空局针对空间站有效载荷，制定了专门的维修性保证要求、维修手册及维修计划指南。首先，针对有效载荷，专门制定了产品保证要求顶层标准GPQ-010《有效载荷项目的产品保证要求及其附录》［10-15］，对于有效载荷需要遵循的维修性基本要求进行了规范，并针对国际空间站上执行不同飞行任务的有效载荷（国际空间站ESA 研究设施、中短期任务的ESA 研究载荷、国际空间站在轨不能维修的ESA 有效载荷、国际空间站压力舱的实验飞行设备、舱外暴露的AO 实验飞行设备等）制定了不同的可靠性＆ 维修性要求；其次，针对有效载荷，建立了以安全性为中心的维修性（维修手册），目的是为国际空间站有效载荷设计工程师实施维修要求建立设计准则，并对维修性要求开展相应的验证和测试；然后，针对有效载荷，建立了在轨维修以安全性为中心的方法——《GPQ-MAN-05 维修计划指南》［16］，目的是提供给国际空间站有效载荷研制者指南和指令来建立和实施合适的预防性维修分析流程，识别所有可用的预防性维修任务，并按照国际空间站要求保障国际空间站有效载荷。

4）针对在轨可更换单元，专门制定了MSFCHDBK-3074《在轨可更换单元的选择方法》［17］，通过建立舱内和舱外可更换单元选择的通用准则，为确保飞行系统在轨可支持提供适应性和可操作的详细指导。

2.2 维修性基础标准

国际空间站维修性工作开展依据标准除其制定的维修性专用标准外，各舱段负责国充分利用其已有标准资源开展维修性工作，如美国负责舱段以美军、NASA 制定的维修性标准为基础，欧空局负责舱段以ECSS 制定的维修性标准为基础，相关的基础标准情况如下：

1） 美 军 制 定 的 维 修 性 标 准。MIL-HDBK-470A《可维修产品和系统的设计与研制手册》［18］、DOD-HDBK-791《维修性设计技术》［19］、MIL-HDBK-472《维修性预计》［20］、MIL-STD-2173《以可靠性为中心的维修要求》［21］、MIL-STD-1390《维修等级分析》、MIL-STD-1843《飞机、发动机和设备——以可靠性为中心的维修》［22］等标准，给出了维修性设计与分析、验证试验等方面的常见方法，这些标准的内容普适性较强。

2）NASA 总部制定的维修性顶层标准和政策。NPD 8720.1C《NASA 可靠性和维修性项目政策》［23］、NHB 5300.4（1E）《空间系统的维修性大纲要求》［24］、NASA-STD-8729.1A《NASA 航天飞行和支持系统可靠性和维修性标准》［25］，分别从NASA 空间系统进行维修性工作需要遵循的顶层政策、维修性管理及设计与分析验证等工作项目、维修性需要遵循的技术要求、目标和策略等方面对维修性工作进行了指导和规范，是指导NASA 负责载人航天器维修性工作项目确定和维修性工作开展的顶层依据性文件。NASA 这些标准是指导美国负责舱段及相关工作开展的依据性文件。

3）ECSS 制定的维修性顶层标准。主要是ECSS-Q-ST-30C《空间产品保证——可信性》［26］，该标准主要从维修性管理、设计与分析、验证与评价等方面需遵循的一些顶层要求进行了规定。该标准是指导欧空局负责舱段及有效载荷产品保证工作开展的依据性文件。

2.3 其他配套标准

为全面指导国际空间站维修性工作开展，国际空间站除制定维修性专用标准外，在舱段规范、双边／多边安全性和产品保证要求等标准中也明确了维修性的相关要求，主要覆盖了以下方面：

1）系统级的维修性要求。各国舱段规范如SSP 41160《哥伦比亚号欧洲空间局舱段规范》、《SSP 41161 美国接地舱段规范》、SSP 41162《美国在轨舱段规范》、SSP 41163 H《俄罗斯舱段规范》、SSP 41165《日本试验舱舱段规范》等5 项标准，对舱段的系统级维修性要求进行了规范，是指导国际空间站各舱段分系统及单机产品维修性工作开展的顶层文件。

2）维修性保证要求。双边／多边安全和任务／产品保证标准如SSP 50146《NASA／RSA 双边安全性和任务保证要求》、SSP 50191《NASA／ESA双边安全性和产品保证要求》、SSP 50145《NASA／NASDA 双边安全性和产品保证要求》、SSP 50182《NASA／ASI 双边安全性和产品保证要求》、SSP 50062《NASA／CSA 双边安全性和任务保证要求》等5 项标准，对参与方之间的维修性保证内容进行了规范。

3）与航天员有关的维修性设计要求。SSP 50005《国际空间站飞行乘组综合标准》［27］规定了相关的设备维修性设计要求以及测试性设计要求。国际空间站所有平台设备和有效载荷维修性设计均需遵循这些要求。

4）维修等级、主要维修方法、维修工具和保障设备等。SSP 41000D《国际空间站系统规范》规定了维修等级、主要维修方法，舱外活动、舱内活动和设备等。

2.4 小结

国际空间站维修性专用标准已落实国际空间站美国、欧洲等各合作国关于维修性基本标准的要求，并充分结合国际空间站特点制定了GPQMAN-04《国际空间站有效载荷以安全性为中心的维修性（维修手册）》、GPQ-MAN-05《国际空间站有效载荷在轨维修以安全性为中心的方法——维修计划指南》、JSC-48513-4A《国际空间站维修＆维修小组（MRG）在轨飞行维修手册》、GPQ-010《有效载荷项目的产品保证要求及其附录》及相关5 个附录、《飞行维修——舱内安装／卸载程序》等多项维修性专用标准。以上国际空间站专用维修性标准涉及空间站平台及有效载荷的维修手册／程序、维修性保证要求、维修性设计与分析要求等方面，以及其以安全性为中心的维修策略及思路，均可为中国空间站维修性标准建设和规划提供重点参考和借鉴。

由于国际空间站由多个合作国共同建设完成，需要对各个合作国之间的维修性管理／保证要求协商一致并达成共识，在SSP 50062《NASA／CSA 双边安全性和任务保证要求》等多项双边标准中，以联合签署的形式推动维修性管理／保证要求的强制实施与应用。中国空间站由中国独立建造和运营，在维修性工作开展方面有更多的自主和灵活性，不需要协调不同国家的利益和需求，因此对国际空间站双边的维修性管理／产品保证相关的标准不进行重点分析。

3 重要维修性标准解析

3.1 GPQ-MAN-04《国际空间站有效载荷以安全性为中心的维修性（维修手册）》

GPQ-MAN-04《国际空间站有效载荷以安全性为中心的维修性（维修手册）》［28］针对国际空间站有效载荷在轨维修的特点，以空间站和飞行乘组的安全为核心，将MIL-HDBK-470A《可维修产品和系统的设计与研制手册》作为编制基本模型，用于国际空间站有效载荷设计工程师实施维修要求以及开展相应的验证和测试。

该手册明确给出了国际空间站有效载荷维修性的定义，以及维修性与有效载荷、有效载荷使用的关系；规定了维修性大纲的目标，从用户需求和要求开始，还提出了任务过程中的保障约束、维修要求的识别、有效载荷维修性设计要求的计划与实施要求，以及最终对开始时用户需求的验证要求；建立了有效载荷的维修性设计准则，主要包括维修性管理、维修性设计、维修性分析与试验。

该标准重点强调了以下方面：

1）空间站有效载荷的维修性设计必须以安全性为中心的指导思想，且应在最初开始设计时就定义维修性，并对其进行谨慎评估。制定维修性设计准则时，必须对在轨飞行乘组时间和可用技能、上下行载荷能力、备件可用性、在轨修理能力（如工具、支持／测试设备）以及存储和安全兼容性等方面综合考虑权衡。

2） 国际空间站始终强调将可靠性和维修性要求分配到低级别的产品。明确了必须重视可靠性、维修性保证，以确保设计可靠性、维修性不受其他因素的影响，并验证和提供符合可靠性和维修性要求的证据。

3） 维修性是一种设计和安装的特性，需要将产品的维修性保证计划作为其产品保证计划的重要部分。

4） 维修性分析应与安全分析、人因分析、可靠性分析、维修分析和综合保障分析相结合。

5） 维修性工作的内容，应涵盖在设计规范、试验规范中，并参与其准备和评审。

6） 强调应将相关的分析、试验和验证方法标准化，并按标准控制维修性工作的实施。

该标准以安全性为中心开展维修性（维修手册）标准编制的思想，提出的维修性分配、设计、分析和验证的思路、要求和方法，强调维修性分析、试验和验证方法标准化，并严格按标准开展维修性工作，可为中国载人航天器维修性工作开展及相关标准制定提供参考和借鉴。

该标准提出维修性相关要求需要落实在相关文件中。

3.2 GPQ-MAN-05《国际空间站有效载荷在轨维修以安全性为中心的方法——维修计划指南》

GPQ-MAN-05《国际空间站有效载荷在轨维修以安全性为中心的方法——维修计划指南》［10］提供了开展预防性维修的详细技术背景信息，以及识别和定义预防性维修任务的详细方法（含剪裁方法），用于指导国际空间站有效载荷研发人员和使用人员开展工作。

该指南强调了应根据国际空间站有效载荷的复杂程度来建立维修性项目，重点阐述了维修级别（在轨维修、地面维修和基地维修）以及维修策略类型（修复性维修、预防性维修、视情维修等），并为不同复杂程度的有效载荷的预防性维修任务的评估和识别提供了指导。

该指南关注以安全性和可靠性为中心开展国际空间站有效载荷维修分析工作，针对不同复杂程度的有效载荷，充分考虑了故障对安全、任务和经济的影响，分9 种情况阐述了以可靠性为中心的维修分析（RCMA）的方法、思路和过程，为中国空间站有效载荷维修计划指南的编制及实际工作开展提供借鉴。

该标准界定的维修级别、维修策略类型，对中国空间站有效载荷维修具有重要参考价值。

3.3 GPQ-010《有效载荷项目的产品保证要求及其附录》及相关5 个附录

该标准由国际空间站应用部门的产品保证和安全办公室、载人航天理事会、欧洲航天技术中心（ESETC）共同颁布，规定了ESA 载人航天理事会负责有效载荷项目的产品保证要求，适用于有效载荷项目（包括设施、设备、试验硬件、地面设备和相关的服务和程序）。内容覆盖所有产品保证要素。

国际空间站很重视有效载荷的维修性工作，将其作为产品保证工作的重要一部分，并针对不同有效载荷类型提出了相应的维修性要求。

GPQ-010《有效载荷项目的产品保证要求》［10-15］针对载人任务、非载人任务将有效载荷进行了分类，并以多个附录的形式，针对国际空间站ESA 研究设施、中短期任务的ESA 研究载荷、国际空间站在轨不能维修的ESA 有效载荷、国际空间站压力舱的实验飞行设备、舱外暴露的AO实验飞行设备等执行不同任务的有效载荷制定了不同的可靠性＆维修性要求，体现了不同有效载荷维修性的差异性和侧重点。

由于国际空间站ESA 研究设施具有长期在轨工作的特点，使得其相比较执行中短期任务的有效载荷以及不能在轨维修的4 种有效载荷存在较大差异。执行中短期任务的有效载荷以及不能在轨维修的4 种有效载荷的维修性工程都必须考虑如下方面：①在每次任务前／后需要进行维修或更换的产品；②预防性维修和修复性维修中，所需备件和工具的数量；③实施维修所需的技能和培训。国际空间站ESA 研究设施需要考虑更多的维修性要素如建立维修性要求、维修性规划的维修性输入、维修性分析、维修性验证等方面。

该标准充分考虑了国际空间站上有效载荷执行长期或中短期任务、是否能维修、安装在舱内或舱外的特点，分别提出不同的维修性保证要求，对于中国空间站有效载荷维修性保证工作开展及标准制定具有指导意义。

3.4 JSC-48513-4A《国际空间站维修＆ 维修小组（MRG）在轨飞行维修手册》

JSC-48513-4A《国际空间站维修＆ 维修小组（MRG）在轨飞行维修手册》［9］是约翰逊航天中心在国际空间站上在轨维修的手册。

该手册的正文从通用舱和节点舱两方面，分别对国际空间站平台各系统产品开展的修复性维修程序、预防性维修程序以及故障检测隔离和恢复程序进行了详细的介绍。

对于维修产品，该手册给出了维修＆ 修理的目标、位置、持续时间、零件、材料、所需工具、推荐的维修程序（包括详细的移动、更换和修理、修理后操作程序等，以及恢复到安全的状态操作、观察和清理，以及检验等，部分配以示意图进行说明），并针对飞行乘组修理过程中可能存在的危险，提出了安全警告。

该手册明确指出修复性维修的工作对象主要是国际空间站通用的命令及数据处理系统、S＆M系统以及国际空间站节点舱C＆T 系统、环境控制与生命保障系统、通信系统与天线系统及电力系统。预防性维修的工作对象是国际空间站节点舱的环境控制与生命保障系统、通信系统与天线系统及电力系统。

目前在国际空间站上的故障检测、隔离和恢复方面，至少进行了N13B Y-电缆、N14B Y-电缆的安装和移动以及国际空间站的舱口、PAM1、PAM2、PAM3、Z1 和节点舱泄露情况的故障检测、隔离和恢复，给出了详细的检测、定位、隔离和恢复程序，并指出了在出现不能定位或修理的泄露等问题时应向任务控制中心报告相关情况。

约翰逊航天中心在国际空间站上主要使用了2 种查找故障的方式：①利用数据总线进行故障查找，给出了恢复到安全状态的操作、软件配置和安装、检测文件建立、设置文件大小、开始存入数据、验证数据采集情况、退出路径、完成数据资料记录、出清存货的完整程序；②进行连续检查，给出了连续检查的目标和位置、检查的零件、所需的工具等，以及连续检查的程序等，包括先恢复到安全状态的操作、建立连续测量、实施以及维修后的操作（关闭示波器）等。

该手册以附录的形式给出了国际空间站维修所需的工具、设备等信息及推荐的使用程序，具体体现为：①国际空间站常用维修工具及其推荐的使用程序；②机械硬件，包括紧固件的螺纹类型和脱落电连接器；③电子硬件，包括束线标识、电连接器和舱上工作区电缆；④诊断设备，包括示波表、电源、功能扫描发生器、接线盒等。并对诊断设备的操作程序进行了说明；⑤给出了部件出清存货控制板。

该维修手册中详细规定的修复性维修工作对象及预防性维修工作对象主要涉及国际空间站通信系统与天线系统及电力系统、环境控制与生命保障系统、命令及数据处理系统等系统，对应于中国空间站中供配电分系统、环控生保分系统、测控通信分系统等，也是中国空间站重点关注的维修对象。该维修手册规定的修复性维修程序及预防性程序、故障检测隔离和恢复程序、维修工具和设备推荐的使用程序，可实际指导中国空间站维修性工作开展及维修手册制定。

3.5 《飞行维修——舱内安装／卸载程序》

《飞行维修——舱内安装／卸载程序》为俄罗斯飞行乘组在飞行维修中执行舱内安装／卸载任务所用的程序手册，该手册包含了飞行乘组飞行维修和修理操作的信息，并详细规定了飞行乘组在轨维修的具体职责，强调了必须采取安全预防措施，以保证在轨维修的安全、高效进行。

该手册中规定了国际空间站的维修对象主要为电力系统、电子VM 系统、舱内复杂控制系统、医学保障系统、通风系统、洗手间、Orlan-M 航天服、发射约束带、遥控操作装置控制系统、对接机构、FGB 供电系统模块等系统与结构／机构，主要是以空间站平台各系统为主开展。

该手册还详细描述了对于所需要的工具和硬件、具体的操作程序（部分配以示意图进行说明）以及何时向任务控制中心进行报告等方面，并对于过程中需要注意的地方通过“注”的形式标明，对于危险给出了“警告”以及“小心”以示提醒。

该手册对飞行乘组在轨维修所承担的职责进行了详尽的分析，强调了在轨维修是以人为责任主体，必须执行要求的舱内维修操作，并向MCC报告工作的完成情况。并强调了飞行乘组在实施空间站在轨维修任务时，必须始终以飞行乘组安全作为第一要素，所有工作必须在保证空间站平台安全和飞行乘组安全的情况下开展，相应提出了详尽的安全性预防措施。

该手册强调的以飞行乘组安全和空间站平台安全为核心开展空间站维修的思想，也是中国空间站开展维修性工作需要遵循及秉承的。其详细阐述的飞行乘组在轨维修职责，可为中国空间站上航天员在轨维修工作开展提供指导和借鉴。

该手册中详细规定的维修工作对象主要对应于中国空间站中供配电分系统、环控生保分系统、测控通信分系统等，也是中国空间站重点关注的维修对象。该手册规定的安装／卸载程序，可实际指导中国空间站维修性工作开展及维修手册制定。

4 结语

1）中国空间站计划在轨运行时间长达10 年以上，参考国际空间站经验，载人航天器也应以安全性、可靠性为中心，开展维修性与安全性、可靠性的一体化设计、验证与评估工作，才能更好地保证载人航天器服役更长时间。

2）中国载人航天器维修性工作的依据性标准尚未形成系统规划，有必要借鉴国外载人航天器维修性标准建设思路，以中国国家军用标准、航天行业标准中的维修性基础标准为基础，结合中国载人航天器维修性需求及工作特点，围绕载人航天器维修性设计、分析、验证与评价全过程，进一步完善中国载人航天器维修性专用标准，重点推动《载人航天器飞行产品维修性要求》系列标准“第3 部分：仿真与分析要求”、“第4 部分：试验验证要求”、“第5 部分：评估要求”，全面覆盖载人航天器维修性管理及技术的相关要求。

3）建议参考国际空间站标准建设经验，开展以安全性为中心的维修性（维修手册）及维修计划指南的编制；针对中国空间站供配电分系统、环控生保分系统、测控通信分系统中常见的维修对象，制定修复性维修程序及预防性维修程序；考虑有效载荷是执行长期、中期或短期任务，是否能维修，以及安装在舱内或舱外等情况，分别提出维修性保证要求。