“哈勃”维修十大要点

Space Exploration - - 【哈勃维修专题】| 太空探索 - 文/钱卫

哈勃空间望远镜(以下简称“哈勃”)和此前的空间望远镜有一个很大的区别,它从设计之初就考虑了周期性地接受维护。当时考虑,是依托航天飞机,每两年半到三年接受一次维护和设备升级,不断地改进观测能力。这样, “哈勃”就可以不断引入最前沿的科技成果。这种维护和升级任务称为“服务任务”,简称SM。“哈勃”的维修和维护,不但为天文界维持了一件重要的科学仪器,同样也为后续的在轨维修和维护总结出了一套行之有效的工作组织方法。美国宇航局(NASA)在SM3任务完成后,总结了10个要点,非常具有启发性。

1.建立一支专家队伍

“哈勃”的设备和分系统来自美国和欧洲的不同供应商,为了执行SM任务,NASA把这些供应商的代表召集到了戈达德飞行中心,那里有全世界规模最大的超净间。从事“哈勃”修理工作的航天员要在这里熟悉“哈勃”的硬件并且接受训练。不仅如此,航天员还要到休斯顿的约翰逊飞行中心,在零重力水池中接受综合训练。在最后阶段,负责发射航天飞机的肯尼迪飞行中心也要派人加入。当航天员真的开始执行维修任务时,由约翰逊中心负责地面指挥,但各有关方面都要派人到场。

在舱外活动期间,每个需要更换的器件,地面团队都要指派一名负责人,负责与其他相关系统的硬件设计师进行沟通。而负责舱外活动工作设计的专家

必须在早期介入硬件设计工作。比如在机械臂设计中,空间活动专家就要从一开始就加入设计工作。这是因为舱外活动的需求和标准是非常独特的,舱外活动专家考虑硬件问题的时候,必须考虑航天员穿着舱外航天服的操作需求。舱外活动专家本人还需要能够承担起工具设计师的角色,能够设计、试验、集成工具,并且能训练航天员使用这些专用工具。

那么舱外活动专家是如何培养出来的呢?非常简单,上一轮任务中负责舱外活动的航天员,在下一轮任务中就扮演专家的角色。受他培训的航天员在执行任务时,被称作“有效载荷指令长”。如此循环延续。

在舱外航天服的设计过程中,就充分体现了专家队伍的作用。“哈勃”维修工作使用的舱外航天服是特制的,它的需求和此前的型号都不一样。设计师们为此特意在零重力水池中进行了体验,充分了解穿着航天服之后如何观察、运动,以此不断改进航天服设计,特别是改进手套的设计。

2.建立需求清单

无论要做什么,首先要明确需求。这对于“哈勃”任务来说也是一样的。

从 1992年开始,“哈勃”服务任务团队就开始设计所需的工具和流程。他们根据以下层次梳理有关的需求:总体任务、任务所需更换的硬件、任务中的舱外活动部分、用于支持舱外活动的硬件、用于更换硬件所需的工具、舱外活动需求和NASA现有标准的关联。

由于“哈勃”的维修维护工作与从前的各类舱外活动都不一样,所以它 的任务设计和工具设计流程也完全不一样。“哈勃”团队采用了头脑风暴的方式来启动设计,往往能预见到很多常规设计方式想不到的问题。例如在头脑风暴中,有人提出“哈勃”的设备舱门锁会不会卡死。于是团队设计了润滑脂涂敷器,然后真的用上了。还有人提出,用手动工具拆装电子连接器容易疲劳,于是团队把这件工具改成了电动的,不但降低了航天员的劳动强度,还节省了宝贵的舱外活动时间。

有时候,还需要在舱外活动期间,实时组织头脑风暴。在第一次维护期间,航天员们发现“哈勃”的磁力计维护舱盖松脱了。地面团队立刻临时组织起了 一场头脑风暴,约翰逊中心和戈达德中心的专家们隔空交流,认为有必要从航天飞机设备架上切下一块材料,临时制作一个舱门。但是到底是切防护毡还是切盖板呢?材料污染专家介入后认为,防护毡会影响磁力计工作,因此团队最终决定切盖板。航天员回到舱内,用切掉的盖板材料制成了一个临时舱门,然后出舱把它装上,解决了问题。这次经验也引出了一套新的“哈勃”维修设备,叫做偶发防护层维修套件。在SM2 任务中,这个套件就发挥了作用。航天员意外发现“哈勃”的防护毡有多处裂口,就用偶发防护层维护套件打了几个补丁。

3.设计要简单

“哈勃”是飞行在轨道上的物体,所以给维护方案和维护工具的设计带来了很大的特殊性,而且每次舱外行走的时间都是有限的。因此,无论动作设计还是工具设计都要遵循一个原则,那就是要简单,具体要考虑的问题包括:能用手的就不要用工具;能用现有标准工具的就不要设计新工具;

能设计通用工具就不要设计专用工具;

如果要满足特定目标,还是要设计专用工具;

确认工作由机械臂完成,还是由系留在航天飞机上的航天员完成,还是由不系留的自由飞行航天员完成;任务可以用一只手完成吗?用机械臂完成的工作同样要遵循简单性原则,例如:人类在地面上会怎么做这件事?如果发生机械干涉怎么办?设备和工具如何存放?如何分段运输到工作位置?工具的互换性会影响设计吗?

在满足简单性原则之后,当然还要考虑很多其他问题,例如载荷、航天 员和航天飞机本身的安全,热防护,舱外航天服操作的便利性、运动能力、限制条件、航天员体力消耗,以及舱外活动时间消耗。

梳理需求之后,“哈勃”团队总共提出了 150类工具。有些用来把需要更换的设备运到“哈勃”附近,有些是在维护过程中供航天员攀爬和固定身体的,有些是用来捕捉设备和器件不让它乱飞的,还有低扭矩小型同轴电缆接头、计算机控制的电动起子,等等。

SM1任务就是简单原则的一个体现。当团队发现“哈勃”主镜头存在2.2微米的误差,导致部分影像模糊之后,并没有决定换掉主镜头,而是制作了一个很小的自适应修正镜,装在了主光轴的后面。

4.听取用户反馈

这里说的用户,不是天文学家们,而是为“哈勃”执行修理任务的航天员。他们拥有真正的第一手经验。

为了充分利用他们的宝贵经验, “哈勃”团队建立起了一种迭代式反馈机制。迭代的起点设立在设备更换的初始需求之上。由项目工程技术人员在零 重力水池中对维修任务流程和工具进行第一轮评估。根据他们的反馈来改进流程和工具。

然后由真正的航天员来进行评估。根据他们的意见,把任务流程和工具设计分成四种类型:

(1)可接受,不需要改变设计,航天员可以毫无困难或者基本顺畅地用工具完成任务。后续可能会对工具进行改进。

(2)不可接受,需要进行小幅度改进。

(3)不可接受,需要对设计进行重大改进,并且需要重新验证。

(4)不能给出结论。由于试验条件或者环境不恰当,无法对设备或者任务进行验证;或者硬件设备仿真度不足,试验项目不恰当,无法给出结论,需要重新试验。

一般来说,需要由一名航天员出面,起草一份《乘员一致意见报告》交

给“哈勃”团队,列出试验结果、设计改进意见和总体评价。这是“哈勃”团队用来改进流程和设计的基础。许多“哈勃”维护工作所用的工具,都是根据航天员的意见逐步改进完善的,例如手动接头工具和电动扳手。

5.经常问“如果”

把一项工作或者一件工具设计完成,并不意味着万事大吉。“哈勃”团队要求设计人员必须经常问自己“如果这东西失灵了怎么办”。这并不是神经过敏,在“哈勃”维修期间,总是会发生一些计划之外的情况。所以,设计师需要让自己的脑洞开大一点,不能让自己的流程或者设备因为某一个意外情况就失效了。

具体来说,“如果……怎么办”有四种情况。

第一,“如果这个机械失灵了怎么办”,设计师需要收集和验证涉及扭矩需求和机械失效模式的有关工程数据。

第二,“有没有解决麻烦的办法”,需要在《舱外活动突发情况文件》中给出正式的流程。

第三,“这个部件能不能被无视、移除或者丢弃”,这需要针对异常情况进行特殊设计。 SPACE EXPLORATION

第四,“有没有备用工具”,这涉及到后勤策略,需要把备件或代用工具存放在航天员可以拿到的位置。

为了回答上述问题,1993年,戈达德中心开发了一套意外事件应对的计划、备案和训练流程。

在人们所能想到的意外事件中,最常见的是机械臂失灵。所以,航天员要训练使用航天飞机携带的备件或者货舱里的“哈勃”卫星支架,在没有机械臂的情况下完成修理任务。

有些情况下,还需要为航天员设计特定用途的训练模拟器。比如一种叫做电力控制单元的模拟器,它和“哈勃”的设备架几乎完全一样,真实再现了那些很难够到的接头,供航天员反复练习。

为了支持任务,“哈勃”团队还建立了三个专门小组,应对维修中遇到的常规和突发问题:舱外活动轨道小组,在六个半小时的舱外活动期间保持在线,提供实时支持;舱外活动再计划小组,负责梳理任务计划,发生任何更改后都要重整目标、动作和时间线;舱外活动转型小组,负责提高态势感知能力,提高沟通能力,一旦发生异常,要保持任务连续性。

6.用不同的方式来训练

航天员在太空里执行任务,可能遇到各种意想不到的情况,所以在地面训练时,要多换几种方法,提高上天之后的应对能力。航天员的主要训练设施是戈达德中心的原比例仿真设备,它们的好处是和航天飞机、“哈勃”一模一样;缺点是无法模拟失重环境,不能绕着它们飞行,也不能体现舱外航天服的性能。

在约翰逊中心的零重力水池中训练就能克服上述问题。为了提高保真度, NASA在这个巨大的水池里建立了全尺寸的航天飞机和“哈勃”模型,潜水训练服很好地模拟了失重环境下穿着航天服的体验。然而零重力水池也有自己的缺点,因为地球引力还是存在的,为了模拟失重,必须把设备本身做得轻一些,水也对航天员的运动造成了比较大的阻力。另外,无法对航天员使用的金属工具模拟失重效果。

因此,航天员需要在两地都进行训练,才能更适应真实的空间飞行环境。

为了维修“哈勃”,NASA修建了以下模拟设备:

高保真度机械模拟器,用来模拟“哈勃”本身的主镜头、光轴架和其他科学设备。

电系统试验设施,用来模拟维修中需要更换的小型用电设备,例如计算机、电子设备盒、磁带记录仪。

外部模拟器设施,模拟“哈勃”的前半部分,用于训练航天员更换防护毡和外部元件。

后部舱门模拟器,训练航天员顺利开闭“哈勃”后部的仪器舱门。

2002年,为了执行SM4任务,又建立了专用的电源控制单元训练模拟器,帮助航天员在非常狭窄的空间里接触和操作36个电连接器。

不但如此,航天员们还要在真空模拟器中接受训练,体验真空和强太阳辐照的双重影响。到了21世纪,更新的技术引入了航天员训练之中,那就是虚拟现实。

由于上述哪个训练都不能完全模拟空间环境。所以,多方法训练的必要性就更加明显了。

7.不断进步

训练当中会发现很多新的问题,因此无论软硬件设计还是训练方法都要 不断进步。特别是要根据航天员的反馈不断完善。舱外活动所用的工具也不断改进,从常规任务工具发展成能应对突发事件的工具。起初,在零重力水池中只能进行部分任务的训练,经过改进,已经能模拟维修任务的全过程。任务流程也在训练中不断优化,形成最终的舱外活动耗时计划,并且再增加20% 的余量来应对各种意外情况。

8.反复训练

无论多么完善的设计,都需要人去执行。特别是应对突发事件的动作,更需要航天员形成肌肉记忆。根据训练和实际飞行,NASA发现以下方面的反复训练尤其重要:两名出舱航天员之间的相对走位(一个人在机械臂附近,一个人自由飞行);新旧设备和相关工具的运送动作;航天员更换设备、工具的捆绑方式和运送操作;更换设备期间的动作效率和时间效率。

航天员们首先要在常规重力下熟悉操作,然后才能进入零重力水池。不过有时候,航天员们也可以用很小的桌面版模型来训练。另外,出舱航天员不但要练习自己分内的工作内容,还要练习另外一人的工作内容,一旦发生意外 情况,两人可以交替工作。在航天飞机内部配合的航天员也要同时参与,确保协调顺畅。

这样的反复训练是相当艰苦的,根据 NASA的统计,天上一小时的出舱活动,在零重力水池里至少要练习10个小时,其他形式的练习时间就更长了。

需要训练的不仅仅是航天员,地面控制团队同样要在模拟操作台上反复训练。当航天员进入零重力水池的时候,正是地面控制团队仿真训练的好时机,这也提高了双方的训练效率。

9.验证飞行硬件和流程的匹配度

“哈勃”是一个已经在天上飞行的东西,不可能去实际测量它的零部件尺寸之后再设计修理工具和流程。好在NASA保留了完整的设计资料,以及工程样机和备件。根据这些东西,可以在地面上验证要上天的工具是不是合用,验证维修流程的设计是不是合理。特别是设备运输路线、任务流程、存放位置、工作区大小和容积、出舱航天员视野和手套能触及的范围等等。有些方面的内容不但要看资料设计,更要在工程样机上毫无遗漏地验证一遍,比如扳手、收纳槽。据统计,每次飞行前,要进行3500项匹配度验证工作。

10.不断落实整改措施

作为一种具有探索性的工作,每次SM任务之后,航天员都有一大堆体验和感触。这对NASA来说,是宝贵的财富。因此,SM2之后的每次任务都会总结上一次任务的经验教训,并落实整改措施。到了SM4任务,整个维护流程就更加完善了。★

▲发现号航天飞机货舱中的哈勃空间望远镜

▲欧空局的航天员克劳德·尼克列在SM3A任务中维修哈勃望远镜的存储系统

▲哈勃望远镜防护毡上的撕裂部分

▲航天员们在地面进行维修时的配合训练

▲航天员们在练习使用维修哈勃时要用到的工具

▲ 亚特兰蒂斯号航天飞机向哈勃空间望远镜靠近时拍摄到的太空中的哈勃

▲航天员进行硬件维修的训练

▲ 航天员正在进行水下模拟训练

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