郭祥艷 申聰聰 李曉明 馬鵬德 董萬坤

(北京航天飛行控制中心, 北京 100094)

1 引言

根據(jù)載人航天工程空間站關鍵技術驗證及建造階段飛行任務安排,從2021 年6 月神舟十二號載人飛船發(fā)射入軌,成功與天和核心艙前向交會對接開始,陸續(xù)發(fā)射載人飛船,空間站建造初具規(guī)模。 在此過程中,將實現(xiàn)航天員從短期駐留到長期駐留,解決從一定規(guī)模到較大規(guī)模的空間應用問題[1]。 當組合體發(fā)生影響航天員駐留安全的故障時,應能夠保障航天員安全,及時撤離。 本文的應急撤離,是指在組合體期間,一旦發(fā)生可能危及航天員生命安全的事件,或導致載人飛船不能和目標飛行器繼續(xù)組合體飛行的故障時,能夠立即中斷正常飛行程序和飛控計劃的執(zhí)行,通過航天員和地面同步實施的應急處置措施,確保載人飛船與目標飛行器快速分離并撤離至安全狀態(tài)的過程。

現(xiàn)有的應急任務規(guī)劃研究主要集中在對地觀測衛(wèi)星的應急成像任務,即根據(jù)應急任務觀測需求和衛(wèi)星的約束條件,生成成像控制和傳輸控制指令,通常將規(guī)劃問題抽象,建立數(shù)學模型并精確求解[2-3]。 但在載人航天器應急撤離過程中,各飛行事件與飛行時序、測控、光照,以及工程實踐經(jīng)驗等約束條件強耦合,難以直接采用成熟的規(guī)劃模型和算法進行應急撤離任務規(guī)劃。 同時,針對載人航天器組合體飛行期間的應急撤離,現(xiàn)有的研究成果較少,國外的文獻大都側重于對空間站故障預警能力的分析[4]和對航天員應急處置能力的訓練和提升[5-7],中國王志瑩[8]等在理論層面對應急撤離故障模式、安全狀態(tài)和撤離流程進行了分析,提供了解決應急撤離問題的部分思路。

本文基于工程實踐考慮,為應對航天員長期在軌期間應急撤離具體操作需求,首先在對應急撤離各影響因素深入分析的基礎上,重點研究撤離期間分離點選取需滿足的約束條件,并構造拉格朗日函數(shù)求解滿足條件的分離點;其次以求解的分離點為基準,對分離前后飛行事件進行人工規(guī)劃,并以測控區(qū)內(nèi)發(fā)生熱控故障地面決策應急撤離為例對規(guī)劃流程進行分析,最后將本文規(guī)劃結果和實際在軌演練結果進行比較,驗證規(guī)劃流程的合理性和可實施性。

2 正常撤離與應急撤離

正常撤離是載人任務飛行乘組順利完成駐留工作,按照飛行計劃安排實現(xiàn)載人飛船與目標飛行器分離、撤離的過程。 正常撤離以分離時刻為界分為分離準備段和分離撤離段,分離準備段航天員主要完成空間站駐留艙段物品撤收、留軌物資清理裝運,完成空間站無人狀態(tài)設置,以及駐留艙段以及各來訪飛行器艙門關閉和檢漏等。 地面控制系統(tǒng)主要完成飛船和目標飛行器分離前狀態(tài)設置,主要包括飛船測控、導航、環(huán)控、生保等設備開機和功能檢查,分離前飛船和目標飛行器狀態(tài)設置和確認等工作。 分離段主要由航天器自主完成剛性連接解鎖并撤離至固定停泊點。

應急撤離是故障情況下的撤離。 載人飛船與空間站艙段組合體飛行期間,導致應急撤離的故障模式主要包括載人環(huán)境異常[9-10]、推進系統(tǒng)泄漏故障和電源系統(tǒng)故障[11]以及組合體受到其他在軌飛行器碰撞預警威脅等。 各故障模式對航天員安全危害程度較高,需盡快使組合體從常規(guī)飛行模式切換為應急故障處置模式,并在決策實施應急撤離后,能夠在故障造成實際危害之前保證載人飛船安全撤離。 因此,與正常撤離相比,應急撤離對撤離時長要求較高,需要對正常撤離前分離準備時間進行壓縮,減少分離準備段的操作項目,兩者的主要區(qū)別如表1 所示。

表1 應急撤離和正常撤離區(qū)別Table 1 The difference between emergency evacuation and normal evacuation

3 應急撤離流程分析

應急撤離是在故障發(fā)生之后的有限撤離時間內(nèi),通過合理安排人、船、器、地撤離項目,實現(xiàn)故障情況下緊張有序撤離,保證航天員安全。 根據(jù)故障發(fā)生時機不同,應急撤離分為航天員自主啟動應急撤離和地面決策啟動應急撤離。

3.1 航天員自主啟動應急撤離流程

對于測控區(qū)外發(fā)生直接影響航天員安全的故障(如駐留艙段失火、失壓等),因故障危急程度高,由航天員自主決策啟動應急撤離,并開始執(zhí)行分離撤離前準備工作,主要包括撤收駐留艙物品、飛船狀態(tài)設置等。 當組合體進入測控區(qū)后,地面通過實時遙測數(shù)據(jù)獲取組合體狀態(tài)參數(shù)。 若判斷組合體發(fā)生緊急故障,且航天員在測控區(qū)外決策并啟動應急撤離,則首先與航天員溝通確認組合體狀態(tài),并授權航天員繼續(xù)完成分離前各項工作,同時地面測控系統(tǒng)分析具體故障數(shù)據(jù)確定故障模式及故障發(fā)生時間,并同步開展應急撤離準備工作。 實施流程如圖1 所示。

航天員自主決策啟動應急撤離時,由于故障發(fā)生在測控區(qū)外,應急撤離有效時間由故障允許處置時間[8]和故障發(fā)生在測控區(qū)外的時間差決定,測控區(qū)外航天員完成的工作不占用應急撤離有效時間,同時地面決策后續(xù)處置后,由地面和航天員并行開展撤離前準備工作,航天員的操作同樣不占用應急撤有效時間。

3.2 地面決策啟動應急撤離流程

對于測控區(qū)內(nèi)發(fā)生的導致應急撤離故障,由地面判斷決策啟動應急撤離,其實施流程包括:首先地面通過遙測數(shù)據(jù)與航天員溝通確認組合體工作狀態(tài)、故障模式等,根據(jù)故障模式?jīng)Q策是否啟動應急撤離,并告知航天員;在地面決策啟動應急撤離后,地面和航天員并行開展分離撤離前的準備工作,航天員主要完成組合體內(nèi)物品撤收、狀態(tài)設置及關閉艙門等操作后,撤離至載人飛船。 地面主要完成分離條件計算、分離點選擇和確認、飛行程序生成注入及分離狀態(tài)監(jiān)視等,實施流程圖如圖2 所示。

圖2 地面決策啟動應急撤離流程Fig.2 Flowchart of ground flight control center decision-making for emergency evacuation

與航天員自主啟動應急撤離程序相比,地面決策情況下對故障模式及故障發(fā)生時機等異常掌握更及時,由于故障發(fā)生在測控區(qū)內(nèi),應急撤離有效時間僅由故障允許處置時間決定,航天員的操作同樣不占用應急撤有效時間。

4 應急任務規(guī)劃

載人航天器應急撤離過程由一系列飛行事件組成,各飛行事件的起始時間通常與故障發(fā)生時刻、故障類型、測控條件等綁定,飛行事件之間的時間間隔還需要滿足航天員準備、地面準備等條件。 任務規(guī)劃就是以滿足飛行時序、測控等多約束條件為目標,合理安排各個任務事件的執(zhí)行順序[12]。 但由于應急撤離各飛行事件與飛行時序、測控、光照,以及工程實踐經(jīng)驗等約束條件強耦合,難以采用程序自動規(guī)劃的方式直接輸出規(guī)劃結果,因此本文采用人工規(guī)劃方式,對應急撤離期間的規(guī)劃流程進行分析。

無論是由地面決策還是航天員啟動的應急撤離,選擇分離點是任務規(guī)劃的關鍵,只有選定滿足約束條件的分離時刻,撤離期間各飛行事件才可按照時序和約束進行規(guī)劃。

4.1 分離點選擇的約束條件

應急撤離中載人飛船和目標航天器分離時刻的選擇需要滿足一定約束條件,假設t為允許分離時刻,各約束條件可具體描述為:

1)測控覆蓋約束。 不管是航天員自主啟動還是地面決策啟動應急撤離,要求分離過程均安排在測控站內(nèi)實施,以確保地面能夠對分離前狀態(tài)進行確認,同時對分離過程關鍵飛行事件進行監(jiān)視,并在必要時進行干預。 將組合體分離前地面制定飛行程序的執(zhí)行時間和分離狀態(tài)確認時間記為TZ,同時將組合體執(zhí)行剛性連接解鎖時間記為TJ,根據(jù)分離點選取原則,需要在[t-TZ,t+TJ] 有測控支持。

2)飛行事件約束。 載人飛船和目標飛行器應急分離之前,地面和航天員需要并行完成分離準備工作。 地面需要完成分離狀態(tài)設置、分離程序生成、會簽和注入,以及組合體姿態(tài)調(diào)整等;航天員需要完成飛船狀態(tài)設置、目標飛行器物品撤收、艙門關閉和泄壓等。 該撤離準備過程根據(jù)工程任務經(jīng)驗可量化為固定時長TI,實際執(zhí)行過程中可以根據(jù)故障發(fā)生時組合體飛行模式、地面飛控模式、實際測控條件、?？匡w行器數(shù)量等修改該準備時間。 定義t0為決策快速撤離時間,則t需滿足t-t0≥TI。

3)撤離有效時間約束。 發(fā)生導致應急撤離故障時,不同的故障模式,其特性及變化趨勢不同,因此從故障發(fā)生至影響航天員安全的持續(xù)時間不同,把該持續(xù)時間定義為故障允許處置時間。在載人航天器研制階段,通過故障模式的影響分析及試驗驗證,能夠確定每種故障模式下的故障允許處置時間[8],本文將其定義為tmax。 當故障發(fā)生在測控區(qū)外時,還需要確定測控區(qū)外的故障時間,記為tout,分離點需選在故障有效處置時間內(nèi),即t≤tmax-tout。

4)太陽入射角約束[13-14]。 太陽入射角要求與航天器自身能源、熱控等分系統(tǒng)的約束要求相關,可綜合為航天器在一段飛行時間內(nèi)太陽矢量與軌道平面夾角的要求。 分離和撤離過程,需要滿足太陽入射角小于固定角度值α。 定義θ(t)為t時刻太陽矢量與軌道面的夾角,TD為載人飛船撤離至固定停泊點時間,則需要滿足θ(t,t+TD)＜α。

4.2 分離點選擇的方法

為求分離點在上述約束條件下的最優(yōu)解,本文構造拉格朗日函數(shù)f(t) 如式(1) ～ 式(5)所示:

其中t0為決策快速撤離時間,tmax為快速撤離允許處置時間,[tn,tn+1] 為測控跟蹤弧段跟蹤時間區(qū)間。σ1和σ2為拉格朗日懲罰因子。

通過求解minf(t) ,獲取滿足條件的分離點值,同時將t代入上式(4)(5)中判斷是否滿足測控約束,從而獲取最終分離點值。

4.3 應急撤離任務規(guī)劃流程

應急撤離過程任務規(guī)劃,是以計算出的分離點為基準,在滿足飛行時序、測控、光照、航天員操作、地面準備等多約束條件下,輸出應急撤離期間各個飛行事件的起始時間,使得規(guī)劃結果滿足應急撤離各項要求。 撤離任務規(guī)劃區(qū)間包括從組合體狀態(tài)分析確認導致應急撤離故障發(fā)生開始,直至載人飛船撤離到安全距離的時間段。 其具體實施項目如下:

1)確認狀態(tài)決策撤離。 當組合體進入測控區(qū)后,地面根據(jù)遙測數(shù)據(jù)對故障模式、故障發(fā)生時間進行確認。 故障模式可確定該故障下后續(xù)處置,當決策應急撤離后,根據(jù)故障模式可知故障允許處置時間tmax,若故障發(fā)生在測控區(qū)外,還需要確認故障發(fā)生時間,從而得到應急撤離有效處置時間區(qū)間[0,tmax-tout] (若故障發(fā)生在測控區(qū)內(nèi),則tout= 0);

2)獲取預報文件,選取分離點。 獲取地面計算的應急撤離預報文件,主要包括太陽入射角預報文件、陽光抑制角預報文件、測控預報文件,作為分離點選取的依據(jù)文件,并根據(jù)4.1 和4.2 節(jié)分離點選取方法,選取分離點;

3)調(diào)整飛行程序和測控網(wǎng)配置。 依據(jù)選取的分離點,制定應急飛行程序和測控網(wǎng)配置,生成應急飛控計劃、應急測控資源申請,并完成各系統(tǒng)會簽確認;

4)飛行程序注入。 飛行程序會簽確認無誤后,當組合體進入測控區(qū),地面完成應急飛行程序注入;

5)航天員撤離準備。 地面將分離時刻通知航天員后,航天員完成應急撤離前的準備工作,完成后和地面確認完成情況,因此過程和地面應急撤離準備并行開展,不占用應急撤離有效時間;

6)分離。 在滿足分離約束條件下,組合體在分離時刻到來時執(zhí)行剛性連接解鎖,解鎖后組合體實現(xiàn)分離,該時間段為固定時長,由載人航天器設計狀態(tài)決定;

7)撤離。 載人航天器與目標航天器分離并撤退至固定停泊點后,地面發(fā)送撤離指令,使載人航天器撤離至安全距離,后繼承接載人飛船正常返回程序,應急撤離規(guī)劃結束。

4.4 應急撤離任務規(guī)劃樣例

按照上述規(guī)劃步驟,以發(fā)生載人環(huán)境異常、地面決策啟動應急撤離為例進行規(guī)劃。 當駐留航天器發(fā)生載人環(huán)境異常時,可能破壞其常溫常壓的駐留環(huán)境[8],直接危及航天員的安全,因此航天員應盡快返回地面以確保安全。 具體規(guī)劃過程如下圖3 所示,圖中各時間區(qū)間說明如下:

圖3 應急撤離任務規(guī)劃過程Fig.3 Planning process of emergency evacuation mission

1)故障發(fā)生后,在T時間段內(nèi)要完成故障分析、組合體狀態(tài)確認,根據(jù)故障預案和實際狀態(tài)決策是否應急撤離。 其中故障分析、組合體狀態(tài)確認需要依據(jù)下行遙測數(shù)據(jù),因此需在出測控弧段1 前完成,其后沿時間為出測控弧段1 的時間。通過故障分析可得tmax,后繼需在tmax內(nèi)完成撤離期間各飛行事件任務規(guī)劃;

2)當決策應急撤離后,應盡快計算分離點,作為地面后繼任務規(guī)劃的基準。 實際計算時,根據(jù)任務軌道計算的軌道日照角文件、陽光抑制角度文件和測控覆蓋文件為輸入文件,設置測控覆蓋步長為1s;

3)選擇分離點后,地面需根據(jù)分離時刻生成應急撤離飛行程序,并完成飛行程序的校核和確認,用于保證飛行程序的正確性和有效性,此過程耗時為T2+T3,規(guī)劃時將兩部分均設為固定時長30 min;

4)由于不具備全時段測控覆蓋,在地面完成飛行程序會簽確認后,需要等待測控區(qū)執(zhí)行飛行程序注入,此過程總耗時為T4;

5)分離點的選取受到測控、光照、飛行事件等多種條件約束,組合體在分離點所在測控弧段內(nèi)執(zhí)行分離指令。 將地面和航天員分離前準備工作完成后,且分離點弧段到來之前的等待時長記為T5;

6)組合體分離之前需完成分離程序執(zhí)行,設置目標飛行器和載人飛船分離前狀態(tài),該時間段為固定時長T6,由地面制定飛行程序決定;

7)組合體在分離時刻到來時即執(zhí)行剛性連接解鎖,解鎖時間為固定時長T7,由載人飛船設計狀態(tài)決定,解鎖之后組合體實現(xiàn)分離,撤退至固定停泊點,該時間段也為固定時長T8。

為進一步明確應急撤離期間各事件起始時間,判斷應急規(guī)劃結果是否滿足任務需求,本文假設上述載人環(huán)境故障發(fā)生時間為測控弧段1 進站后5 min(即某天北京時08:00:00),根據(jù)4.2 節(jié)分離點計算方法計算得到滿足條件的分離點為測控弧段3 跟蹤開始后19 min(即北京時10:46:00);該故障下達到安全狀態(tài),即組合體分離的允許處置時間為定值,采用上述規(guī)劃方法,對應急撤離任務規(guī)劃結果采用甘特圖的形式表示,如圖4所示。 從圖中可以看出,本次規(guī)劃時間區(qū)間約為3 h,小于該故障情況下應急撤離工程指標要求。

圖4 應急撤離任務規(guī)劃結果Fig.4 Planning results of emergency evacuation mission

5 規(guī)劃流程驗證

為了驗證本文規(guī)劃流程的合理性和可實施性,將一次實際在軌地面決策啟動應急撤離演練與本文規(guī)劃結果進行比對。 本文的規(guī)劃開始時間和在軌演練一樣,都是從故障發(fā)生決策應急撤離開始,結束時間為載人飛船與目標航天器分離并撤離到固定停泊點,兩者結果比較如下:

1)在分離時刻選擇上,在軌演練時分離點依賴地面人員工程經(jīng)驗人工選定,和本文規(guī)劃采用的分離點選擇方法雖然不同,但是由于分離點約束條件和選取原則近似一致,所以兩者選擇分離時刻相同;

2)分離程序生成、確認和注入上,由于規(guī)劃的飛行程序生成和確認是固定時長,在軌演練中這兩部分時長都小于規(guī)劃時長,同時演練中飛行程序注入時刻早于規(guī)劃開始時間,但是由于兩者分離時刻相同,在軌演練中測控等待的時長較長;

3)分離和撤離過程,對分離程序執(zhí)行、分離和撤離而言,本文規(guī)劃結果和實際在軌演練結果一致。

結果表明,本文的規(guī)劃流程、規(guī)劃結果和實際在軌演練流程近似相同,可以保證故障時地面及時決策,合理安排各飛行事件,實現(xiàn)航天員的安全撤離。

6 結論

1)本文提出的應急撤離任務規(guī)劃流程,將撤離期間的飛行事件及其起始時間進行量化,能夠在應急撤離有效處置時間內(nèi)完成撤離,且分離前后各事件滿足約束條件,測控等待時長較短;

2)本文主要關注于組合體期間應急撤離通用任務規(guī)劃流程,規(guī)劃結果基于常規(guī)飛行和飛控模式,后續(xù)需根據(jù)任務實際建立各種模式下應急撤離流程,并細化應急撤離分支;

3)對應急撤離任務規(guī)劃,目前基于人工模式的規(guī)劃流程,規(guī)劃過程依賴地面操作人員的工程經(jīng)驗、熟練程度等,后續(xù)將研究撤離期間動態(tài)規(guī)劃技術,建立規(guī)劃的模型和算法,使得撤離期間各飛行事件自動規(guī)劃,進一步縮短規(guī)劃耗時,優(yōu)化規(guī)劃結果,保障航天員長期在軌駐留的安全性。