大推力氫氧發(fā)動機全壽命周期健康管理研究進展

喬夏君，薛 薇

(1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076； 2.北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

液體火箭發(fā)動機是一種復(fù)雜的、高階、非線性、流體-機械-熱動力系統(tǒng)，運行條件惡劣且運行時間短。大推力氫氧發(fā)動機是未來10～20年我國最大推力高性能氫氧發(fā)動機，將承擔我國載人登月等重大任務(wù)，具有流量大、推力大、渦輪泵轉(zhuǎn)速更高、燃燒室壓力更高、混合比可調(diào)節(jié)、工況可變化等特點。因此，針對新一代大推力氫氧發(fā)動機開展其故障診斷技術(shù)的研究，己成為提高我國未來航天發(fā)射任務(wù)可靠性與安全性的重要任務(wù)[1-5]。

發(fā)動機是運載火箭的心臟，其工作的可靠性直接影響全箭的工作。發(fā)動機健康監(jiān)控系統(tǒng)可對發(fā)動機運行狀態(tài)進行監(jiān)視與診斷，在發(fā)生故障征兆時給出預(yù)警，及時采取保護措施，避免由于故障而引起的災(zāi)難性事故，保護運載器與有效載荷安全，提高飛行任務(wù)可靠性[6-12]。無論從型號需求還是發(fā)動機自身技術(shù)發(fā)展，開展發(fā)動機健康管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用十分必要[13-18]。

如何保障發(fā)動機安全可靠運行一直是運載火箭推進系統(tǒng)的研究重點，也是各航天強國的關(guān)注特點[19-22]。保證發(fā)動機安全運行的主要手段有：1)在設(shè)計制造階段，優(yōu)化設(shè)計方案、采用新技術(shù)新材料新工藝、加強元器件和部組件檢測與質(zhì)量控制，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性[23-24]；2)在地面測試階段，盡可能地發(fā)現(xiàn)故障，改進設(shè)計方案，消除安全隱患；3)采用健康監(jiān)控系統(tǒng)，在運行階段實時監(jiān)測發(fā)動機工作狀態(tài)，發(fā)生故障時采取相應(yīng)的控制手段，以確保發(fā)動機能夠繼續(xù)完成任務(wù)或?qū)⒐收显斐傻钠茐臏p小到最小[25-28]。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外從20世紀70年代開始研究液體火箭發(fā)動機的健康監(jiān)控系統(tǒng)，陸續(xù)提出和開發(fā)了很多實用有效的健康診斷系統(tǒng)方法。最早使用在液體火箭發(fā)動機上的性能監(jiān)測、故障診斷系統(tǒng)的目的僅僅是是實現(xiàn)安全監(jiān)測，這一原始的簡單系統(tǒng)為紅線報警系統(tǒng)。為了航天員及和設(shè)備安全，紅線報警系統(tǒng)主要監(jiān)控發(fā)動機運行的關(guān)鍵參數(shù)，如果這些參數(shù)超過預(yù)設(shè)的紅線值，發(fā)動機將立即關(guān)閉以防止發(fā)生災(zāi)難性故障。對于可能發(fā)生的傳感器故障，通過傳感器驗證及故障調(diào)節(jié)檢查傳感器是否存在錯誤輸出，對于被檢測到發(fā)生輸出錯誤的傳感器，將會從控制邏輯中移除該傳感器的輸出，使用冗余傳感器數(shù)據(jù)或分析冗余取代傳感器的輸出。此外，紅線系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)動機的操作階段而改變相關(guān)的紅線值，通過監(jiān)控計算機根據(jù)發(fā)動機條件設(shè)置紅線值，控制計算機使用紅線值作為判斷標準。如果發(fā)動機發(fā)生故障，推進系統(tǒng)中的其余發(fā)動機必須增加推力或關(guān)閉以維持飛行器的推力平衡，這需要液體火箭發(fā)動機具有同步緊急關(guān)閉和其余發(fā)動機的同步節(jié)流能力。

在紅線報警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，診斷監(jiān)控、狀態(tài)評估等功能相繼實現(xiàn)。診斷監(jiān)控是對發(fā)動機性能的實時監(jiān)控，以檢測非標稱性能并可能調(diào)整控制以確保發(fā)動機完成任務(wù)，這需要實時檢測識別發(fā)動機的故障和退化，并且具有響應(yīng)這些故障和相應(yīng)的控制功能。狀況評估在液體火箭發(fā)動機發(fā)射、飛行后，狀態(tài)評估過程使用已收集發(fā)動機數(shù)據(jù)進行分析，得到以發(fā)動機性能退化、性能異常情況，并可能估計發(fā)動機的剩余壽命。

美國在此方面的研究比較成熟，其過程也是由簡單到復(fù)雜，這其中以SSME的故障診斷研制最為突出。

SSME是復(fù)雜的大系統(tǒng)，其故障的表現(xiàn)也呈現(xiàn)復(fù)雜性，這種復(fù)雜性體現(xiàn)為環(huán)境干擾的多樣性，故障特征的多樣性，故障的多樣性以及內(nèi)部的多耦合表現(xiàn)出的強非線性。

故障模式是指故障的具體表現(xiàn)形式。故障模式分析是故障檢測、診斷和控制的重要前提和基礎(chǔ)。發(fā)動機的故障模式分析對提高發(fā)動機及其健康監(jiān)控系統(tǒng)可靠性具有重要意義，對于確定重點監(jiān)控部件、選擇關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)以及制定故障檢測和診斷準則等具有重要的指導(dǎo)意義。

SSME雖然已經(jīng)可靠、安全地進行了超過30次的航天飛機任務(wù)，并進行了超過411 000秒的地面測試。但是，SSME在發(fā)射或嘗試發(fā)射中發(fā)生了4次輕微故障，所有這些性質(zhì)上都是相對較小的。計劃和執(zhí)行SSME的地面測試是為了確保發(fā)動機的可靠安全的飛行運行。超過1 200個SSME靜態(tài)點火，累計發(fā)動機運行時間超過了270 000秒，在開發(fā)和運行期間的地面測試中經(jīng)歷了40次過早關(guān)機，其中有27次足夠嚴重稱為“重大事故”的地面試驗失敗，導(dǎo)致了大量的發(fā)動機硬件損壞。在地面測試期間，SSME的故障非常嚴重，無論是對于硬件損失，還是給定發(fā)動機或部件上累積的測試時間。SSME在飛行過程中的重大故障威脅著飛行人員和設(shè)備財產(chǎn)的安全，還可能會造成巨大經(jīng)濟損失，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。

NASA 馬歇爾太空飛行中心根據(jù)故障調(diào)查委員會報告、承包商故障報告、原始記錄數(shù)據(jù)以及與故障相關(guān)的工程說明、數(shù)據(jù)庫和演示文稿在內(nèi)的各種資源，進行了SSME故障審查。已經(jīng)確定了約900個關(guān)鍵性故障模式，大多數(shù)SSME故障是由于環(huán)境知識不足和對部件施加的負擔造成的；特別是動態(tài)負載。一些故障模式與幾個測試周期后消除的設(shè)計問題或材料缺陷相關(guān)。高周期疲勞是導(dǎo)致故障的最常見機制。27次SSME地面試驗故障中有18次發(fā)生在恒定功率水平的主級運行期間。分析得到了故障模式與影響分析結(jié)果，建立了危害性項目表。在已經(jīng)有的故障模式中，對故障產(chǎn)生的原因、效應(yīng)和發(fā)生概率等都作了說明。

美國于1987年公布了SSME故障模式與效應(yīng)分析以及關(guān)鍵項目表，確立了SSME有14種故障模式為關(guān)鍵故障，如表1所示。

表1 SSME故障模式與效應(yīng)分析以及關(guān)鍵項目表

從表1中的14種SSME關(guān)鍵故障模式中，按經(jīng)驗準則，劃分了故障等級，確定了5個發(fā)生次數(shù)較多的故障，主要分布于高壓氧化劑渦輪泵、 燃燒室噴注器和高壓燃料渦輪泵中，即高壓氧化劑渦輪葉片損壞，高壓氧化劑渦輪泵密封泄漏，高壓燃料渦輪葉片損壞，高壓燃料渦輪泵密封泄漏，燃燒室噴注器損壞。

SSME 發(fā)動機健康監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的“3個階段”為：

1)20世紀 70 年代研制的“紅線閾值檢測與報警系統(tǒng)(Redline)”，也稱為紅線關(guān)機系統(tǒng)，是傳感器密集型的紅線閾值故障檢測方法，這種方法主要針對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作過程，不能對起動、關(guān)機、推力改變等瞬態(tài)過程進行有效的監(jiān)控[4-5]。

紅線關(guān)機系統(tǒng)可以對 SSME 高壓渦輪泵的五個參數(shù)(高壓燃料渦輪出口溫度、高壓氧化劑渦輪出口溫度、高壓燃料渦輪泵冷卻劑入口壓力、高壓氧化劑渦輪泵介質(zhì)密封吹除壓力和高壓氧化劑渦輪泵二級渦輪密封壓力)進行實時監(jiān)控。

在地面試車時還增加了9個監(jiān)測參數(shù)。為了避免誤報，對紅線關(guān)機進行了傳感器冗余設(shè)計和邏輯表決，即只有某個傳感器在3個或3個以上采樣周期里參數(shù)超限時才能為關(guān)機決策投一票，關(guān)機決策由測量該參數(shù)的所有傳感器投票加權(quán)表決。盡管如此，這種簡單監(jiān)測系統(tǒng)的漏報率和誤報率仍然較高，據(jù)統(tǒng)計在SSME發(fā)動機早期試車中，故障檢測參數(shù)的漏報率高達60.5%，這主要是由門限值界定辦法本身的缺陷等原因所致。

紅線關(guān)機系統(tǒng)采用固定閾值進行判斷，無需數(shù)學(xué)模型，算法簡單，實時性強，計算量小，可以修改這些紅線以考慮硬件更改或新故障發(fā)生，能很好應(yīng)用于地面試車和飛行試驗系統(tǒng)中；但該系統(tǒng)對傳感器的要求較高，對緩變故障和早期故障難以及時檢測，容易誤檢和漏檢故障，而且故障覆蓋面有限、魯棒性差、可靠性低、功能單一。

2)為了提高檢測的效果，NASA在紅線閾值故障檢測方法上發(fā)展的一種改進方法，異常和故障檢測系統(tǒng)[7](SAFD， system for anomaly and failure detection)。SAFD可以視為改進紅線方法的第一步，是一種實時故障檢測算法，用于在地面測試期間檢測SSME穩(wěn)態(tài)運行中的異常，它采用統(tǒng)計置信區(qū)間、窗口移動、滑動平均的方法對測量參數(shù)進行檢驗，檢測邏輯包括計算在一定的時間窗口內(nèi)傳感器測量信號的平均值。

該系統(tǒng)通過監(jiān)測、測量SSME部件的壓差、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速和閥門位置等23路參數(shù)，能診斷發(fā)動機發(fā)生的三類故障。另外系統(tǒng)在運行時可以進行多種算法的并行運算，同時采用冗余設(shè)計和表決報警技術(shù)，提高了故障檢測可靠性。為了節(jié)約時間和防止不必要的浪費和事故發(fā)生，SAFD系統(tǒng)一旦檢測到故障，即立即關(guān)機，而不判斷故障類型。SAFD比較簡單實用，但是對故障的覆蓋率、敏感性以及傳感器對故障的承受能力仍然滿足不了發(fā)動機狀態(tài)的監(jiān)控要求。比紅線系統(tǒng)能更早檢測出故障，可靠性有所提高，但它只適用于穩(wěn)態(tài)過程的監(jiān)控，而且對故障的覆蓋率和敏感度較低。

3)高級階段： 美國針對 SSME研制了不同需求的健康管理系統(tǒng)：健康監(jiān)測系統(tǒng)[13](HMS,health monitoring system)、智能控制系統(tǒng)[6](ICS，intelligent control system)、綜合健康管理系統(tǒng)[8](ISHM,integrated systems health management)和先進健康管理系統(tǒng)[11](AHMS, advanced health management system)等。

2004 年，為提高空間運輸系統(tǒng)發(fā)射的成功率，波音-加州諾加帕克公司聯(lián)合馬歇爾航天飛行中心研制了用于SSME 的先進健康管理系統(tǒng)AHMS。AHMS是一種可擴展、靈活升級的系統(tǒng)，可以通過改變輸入數(shù)據(jù)輕松適應(yīng)其他發(fā)動機配置；通過降低航天飛機任務(wù)的動力上升階段發(fā)動機發(fā)生災(zāi)難性故障的概率來改善航天飛機的安全性和可靠性。該系統(tǒng)包括3個實時故障檢測子系統(tǒng)，即先進實時振動監(jiān)控系統(tǒng)、光學(xué)羽流異常檢測系統(tǒng)和線性發(fā)動機模型系統(tǒng)，并通過箭載健康管理計算機進行集成，降低航天飛機上升階段發(fā)動機發(fā)生災(zāi)難性故障的概率，提高了航天運載器在發(fā)射和升空階段的可靠性和安全性，從而提高航天任務(wù)的成功概率。研究表明，AHMS 在降低航天飛機升空損失概率方面的效果甚至優(yōu)于型號本身改進的效果。

2017年7月26日，NASA對RS-25發(fā)動機進行了長達500 s的試車，目的是為了驗證發(fā)動機控制及健康管理系統(tǒng)，在發(fā)射和飛行過程中與飛行控制器進行通訊，接收并反饋發(fā)動機健康狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

與美國早期的在液體火箭故障診斷及健康管理領(lǐng)域展開的相關(guān)技術(shù)研究及開發(fā)應(yīng)用類似，其它國家也進行了一些類似的研究。除美國外，其他各國對發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的研究也由來已久[29-33]。同時，歐洲及日本等國家也一直比較重視發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預(yù)測方面的研究工作[24-37]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于液體火箭發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的研究主要由高校和相關(guān)研究院所展開。從20世紀90年代末開始不同高校及研究所陸續(xù)研制了多個性能監(jiān)視、故障診斷系統(tǒng)，并且對試車數(shù)據(jù)進行整理集成建立了液體火箭發(fā)動機故障數(shù)據(jù)庫[14-16]。

YF-77發(fā)動機目前在地面試車使用的故障診斷方案主要是紅線判斷，對關(guān)鍵參數(shù)進行閾值判定，從而判定是否緊急關(guān)機。

北京航天動力研究所也開發(fā)了一套基于振動數(shù)據(jù)試后分析的軟件，能夠進行振動分析和故障診斷，通過時域、幅域、頻域以及時頻域的振動分析，判定在各個時刻發(fā)動機的運行狀態(tài)是否正常，并在發(fā)動機的運行狀態(tài)不正常時，根據(jù)現(xiàn)有的故障特征庫，判斷出故障類別，輸出故障分析報告。該軟件是試后分析軟件，能夠在試車后第一時間對振動數(shù)據(jù)進行快速分析，從而判定發(fā)動機渦輪泵的狀態(tài)。

國內(nèi)氫氧發(fā)動機健康管理技術(shù)研究，目前正處于研究應(yīng)用階段。

1.3 故障診斷算法研究

在缺乏試驗數(shù)據(jù)時,就需要有發(fā)動機的仿真模型。SSME已經(jīng)具備完善的功率平衡模型和數(shù)字瞬變模型。這些模型可以預(yù)計SSME的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能?；谀Ｐ偷墓收显\斷算法通過處理傳感器的測量數(shù)據(jù)和利用發(fā)動機數(shù)學(xué)模型來跟蹤發(fā)動機的正常工作。當發(fā)動機正常工作時, 傳感器輸出在預(yù)定的軌跡或者是規(guī)定的精度范圍內(nèi)變化，如果傳感器的測量偏離模型預(yù)計值就表示出現(xiàn)故障。經(jīng)過對比試驗發(fā)現(xiàn)SSME的模型不能精確地考慮正常工作中的漂移和偏移?；谀Ｐ偷墓收显\斷算法需要精確的發(fā)動機數(shù)學(xué)模型。這些模型大部分是線性和時不變的。模型的誤差和系統(tǒng)非線性在一定程度上會影響算法的魯棒性和檢測靈敏度?；谀Ｐ万?qū)動的故障預(yù)測方法在理論上是完備的，但是其故障預(yù)測的準確性與可靠性取決于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精度。對于工變化大，組件眾多的發(fā)動機來說，建立其工作過程精確數(shù)學(xué)模型十分困難，特別是其故障機理復(fù)雜，很難建立能夠描述發(fā)動機故障發(fā)展變化的數(shù)學(xué)物理模型[38-40]。

在實際工程中，建立復(fù)雜系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型往往比較困難或者計算成本巨大難以實現(xiàn)。此時，在系統(tǒng)試驗、使用和維護等階段的測量數(shù)據(jù)就成為分析系統(tǒng)故障的主要依據(jù)[41-42]。SSME已經(jīng)進行了大量的試驗, 并且已經(jīng)有大量的正常工作和故障模式的試驗數(shù)據(jù)庫。通過信號處理、特征提取和分類等技術(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)組鑒別系統(tǒng)的工作是否正常。然后利用這種能力來把實驗數(shù)據(jù)分為正常和故障兩類。

在缺乏精確的數(shù)學(xué)模型和實驗數(shù)據(jù)時，人工智能技術(shù)利用專家知識建立定性模型, 并完成有關(guān)故障狀態(tài)的定性推理。該技術(shù)是利用定性模型的自動決策過程。自動決策過程依靠以知識為基礎(chǔ)的規(guī)則或從傳統(tǒng)的物理概念推出定性關(guān)系，并完成系統(tǒng)分析，以提供有智能的建議[40-44]。

2 我國氫氧發(fā)動機健康管理研究及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 我國氫氧發(fā)動機健康管理技術(shù)

由于運載火箭對發(fā)動機系統(tǒng)的智能化要求，我國氫氧發(fā)動機健康管理技術(shù)也逐步開展起來了。發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷/隔離與壽命預(yù)測是重要組成部分[1-3]。圖1為系統(tǒng)的功能示意圖。

圖1 發(fā)動機健康管理系統(tǒng)功能示意圖

北京航天動力研究所針對氫氧發(fā)動機開發(fā)了一系列的診斷算法[17-18]，形成了一套完整的健康管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖2所示，最底層是傳感器測量層，通過發(fā)動機整機及不同部件的試驗采集關(guān)鍵參數(shù)的信號。由下往上，第二層是數(shù)據(jù)層，通過采集得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的整理和歸檔，同時通過這些數(shù)據(jù)進行建模，根據(jù)需要構(gòu)建出無故障的發(fā)動機模型和不同故障情況下的發(fā)動機模型。第三層是診斷層，通過設(shè)計不同應(yīng)用場合的診斷算法結(jié)合試車數(shù)據(jù)或者仿真模型開展故障診斷研究，多種故障診斷算法交叉診斷并確定故障類型。第四層是決策層，通過診斷結(jié)果進行專家系統(tǒng)的判斷。最高層是執(zhí)行層，經(jīng)過一系列的診斷分析后，給出一個彌補的措施，常見的有緊急關(guān)機、啟動備份等。

圖2 健康管理各級功能示意圖

結(jié)合研究對象，綜合考慮設(shè)計依據(jù)的需要，氫氧發(fā)動機健康管理分為機載和地面部分，發(fā)動機健康管理系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 發(fā)動機健康管理系統(tǒng)原理圖

機載部分：傳感器部分主要測量發(fā)動機的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及位置信息，健康管理部分通過測量得到的傳感器信號估算出不可測量參數(shù)，綜合可測及不可測量參數(shù)進行發(fā)動機實時狀態(tài)分析，在故障診斷的過程中是分別按照發(fā)動機啟動-主級-關(guān)機3個不同過程采用不同方法進行診斷，最后給發(fā)動機控制器診斷結(jié)果及應(yīng)對措施，保存發(fā)動機的部分數(shù)據(jù)，保證發(fā)動機安全、可靠、高效的工作?？刂撇糠种饕òl(fā)動機控制規(guī)律、控制算法、緊急關(guān)機等功能。

地面部分：發(fā)動機每完成一次飛行完畢后在地面需要進行一次全面檢查，將發(fā)動機歷史數(shù)據(jù)及與飛行過程中的數(shù)據(jù)進行分析，分別通過離線狀態(tài)分析得到發(fā)動機部件狀態(tài)趨勢；通過故障模式的對比分析得到發(fā)動機部件預(yù)警結(jié)果。通過維修計劃分析進行發(fā)動機返廠維修，最終實現(xiàn)健康管理綜合報告。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基于最優(yōu)理論的發(fā)動機測點優(yōu)化及不可測參數(shù)估計算法研究

縱觀國外的各類測點布置方法研究，它們具有基本的組合優(yōu)化問題求解模式。由于實際工程中測點布置與選擇方法涉及的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)多、系統(tǒng)機理復(fù)雜等原因，無法簡單的確定目標函數(shù)。

測點布置問題的前提是要根據(jù)工程需求，所關(guān)注的各類頂層需求包括：1)故障檢測有效性，包含故障檢測準確度和故障檢測速度；2)故障檢測的可靠性；3)故障檢測的魯棒性；4)故障定位(辨識)的準確性；5)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的可觀測性；6)資源限制。其中資源限制是最模糊的需求定義，在不同的應(yīng)用場景下有不同的定義，如測點數(shù)量限制、安裝空間限制、成本限制等。

發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測包括對發(fā)動機的性能、壽命、振動等進行監(jiān)測，記錄發(fā)動機的工作狀態(tài)及工作時間。結(jié)合發(fā)動機工作特點及總體需求確定需要監(jiān)測的參數(shù)。目的就是通過傳感器測量發(fā)動機的氣動性能監(jiān)視熱力參數(shù)、性能參數(shù)、可調(diào)部件的位置參數(shù)來判斷發(fā)動機狀況。由于發(fā)動機的工作性質(zhì)有些關(guān)鍵的參數(shù)不可測量，如混合比、推力等，這就需要對發(fā)動機不可測的關(guān)鍵參數(shù)進行估計，因此通過可測的參數(shù)來估計不可測參數(shù)。

國外的測點布置和選擇方法具有明顯的求解組合優(yōu)化問題的共同特征，呈現(xiàn)出一個相對成熟的系統(tǒng)。測點布置研究的工程需求呈現(xiàn)出多樣性，不僅僅局限于故障檢測的有效性，同時對于需求的可實現(xiàn)性做出理論分析。各個研究之間最大的不同體現(xiàn)在系統(tǒng)模型、評價因子和優(yōu)化技術(shù)的差異上，這同樣導(dǎo)致研究中使用的術(shù)語有一定差異性，但具有相似的內(nèi)核。這些特征使國外的相關(guān)研究具有理論框架融合同一，實際應(yīng)用各具特異性的發(fā)展特點。

國內(nèi)測點參數(shù)布置與選擇的方法研究較少。早期選擇測點的方法僅通過簡單的穩(wěn)態(tài)或動態(tài)故障仿真來觀察測點參數(shù)的變化特征，通過經(jīng)驗分析選擇測點；近年來僅有的兩個案例對于測點選擇的需求僅關(guān)注了故障檢測的有效性，且使用的是多準則決策算法，缺乏組合優(yōu)化方法的嚴謹性。綜合來看，國內(nèi)還沒有形成全面化系統(tǒng)化的發(fā)動機測點布置方法研究體系。

2.2.2 基于多數(shù)據(jù)融合的實時故障診斷算法設(shè)計

發(fā)動機主級工況下各個參數(shù)相對比較平穩(wěn)，同時工作時間最長，這個階段重點關(guān)注的參數(shù)比較多。發(fā)動機主級工作階段主要受供應(yīng)系統(tǒng)的流體和機械運動以及燃燒室、發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)換過程的控制。一般來說，發(fā)動機主級工作階段主要有兩種不同類型的工作模式，一種是發(fā)動機在整個主級工作階段工況唯一，只處于穩(wěn)定的額定工況；另一種是發(fā)動機在整個主級工作階段除額定工況外，還存在多個工況的轉(zhuǎn)變過程。液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和耦合性強，物理關(guān)系模糊，在發(fā)動機工作階段過程復(fù)雜，缺乏先驗知識；算法本身存在如實時性、魯棒性等局限。因此需要采用多數(shù)據(jù)融合的方式進行診斷。

2.2.3 發(fā)動機健康管理器工作過程中復(fù)雜環(huán)境壽命仿真分析

發(fā)動機的工作環(huán)境比較惡劣，對于由電子元器件組成的健康管理器來說，如何在設(shè)計過程中充分考慮惡劣環(huán)境的影響是保證健康管理器性能的關(guān)鍵。在實際工作過程中，健康管理器通過采集發(fā)動機系統(tǒng)各傳感器輸出信號，監(jiān)測發(fā)動機關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)并據(jù)此運行故障診斷算法，最后將發(fā)動機健康診斷結(jié)果分別發(fā)送給箭體及發(fā)動機控制器。

2.2.4 先進測量技術(shù)在發(fā)動機健康監(jiān)視系統(tǒng)中應(yīng)用

在健康管理系統(tǒng)中，對于智能傳感器的智能特征要求為：實現(xiàn)自主校準、檢查、比例縮放等功能，進行自身健康評價、異常檢測，具有分布式通信功能。智能傳感器要實現(xiàn)的功能：使用適當算法處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，提取有用的工程單位，并估計傳感器和數(shù)據(jù)的健康狀態(tài)。

智能傳感器必須為健康管理系統(tǒng)提供高度整合的數(shù)據(jù)。除了對數(shù)據(jù)進行采集及前期處理外，還具備對數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進行操作，產(chǎn)生對數(shù)據(jù)完整性和健康狀態(tài)的評估。用于健康評估的算法可以是原始的簡單限制或閾值函數(shù)，也可以是復(fù)雜的基于復(fù)雜模型再綜合其它智能單元的處理結(jié)果進行處理。

分布式健康管理架構(gòu)的關(guān)鍵是參與節(jié)點之間的通信，所選擇的網(wǎng)絡(luò)拓撲必須能夠滿足數(shù)據(jù)吞吐量、功率和可靠性等要求。其他重要的考慮因素包括傳感器陣列進行數(shù)據(jù)傳輸所需的帶寬，除了考慮測量數(shù)據(jù)時的采樣率，傳輸數(shù)據(jù)的總量還需要包括智能傳感器提供的有關(guān)健康的信息。原始數(shù)據(jù)和健康信息的總吞吐量必須符合可用帶寬。在智能元件之間建立某種形式的有效同步也與通信密切相關(guān)，精確的同步使從不同傳感器獲得的測量及處理結(jié)果以某個時間為基準，為上層系統(tǒng)進一步使用處理分析數(shù)據(jù)提供有效支持。

3 結(jié)束語

本文主要梳理了國外液體火箭發(fā)動健康管理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并對國內(nèi)液體火箭發(fā)動機性能監(jiān)測及故障診斷現(xiàn)狀進行了簡單介紹。

我國關(guān)于液體火箭發(fā)動機健康管理方面開展了大量研究，本文也給出了一些研究的關(guān)鍵技術(shù)，總體來說在故障診斷系統(tǒng)的框架設(shè)計及實現(xiàn)等方面也有一定的成果，具備了以下能力。

1)具備實時監(jiān)控能力。實時監(jiān)控系統(tǒng)主要包含點火前、啟動過程、主級工況3個主要的階段。點火啟動前需進行狀態(tài)確認。發(fā)動機測試過程中，推進劑加注前，發(fā)動機預(yù)冷過程中，通過測量數(shù)據(jù)，如流體壓力、溫度、閥門開度等，分階段對發(fā)動機健康狀態(tài)進行確認，排除可能存在的故障隱患。發(fā)動機地面試驗或飛行過程中，通過測量數(shù)據(jù)、故障模型、診斷算法對發(fā)動機工作狀態(tài)進行檢測、診斷。

2)具備離線評估能力，發(fā)動機離線狀態(tài)評估數(shù)據(jù)包括穩(wěn)態(tài)壓力、溫度、振動參數(shù)。具備發(fā)動機健康狀態(tài)評估能力。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，對發(fā)動機工作狀態(tài)進行評估，對工作過程中發(fā)生的故障進行分析、判定、定位和評估。具備壽命監(jiān)控能力?；跍y量參數(shù)，開關(guān)狀態(tài)，記錄并管理發(fā)動機整機、渦輪泵、燃燒裝置、閥門工作次數(shù)、壽命裕度，為組件檢測、維修、更換提供依據(jù)。

3)采用理論方法研究與系統(tǒng)的工程試驗驗證相結(jié)合的方法，建立起一套適用于發(fā)動機全壽命周期健康管理系統(tǒng)體系。構(gòu)建氫氧發(fā)動機故障模型，獲得故障數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的故障診斷算法；可取得的故障診斷中敏感參數(shù)對各個部件故障診斷的影響規(guī)律。

綜上所述，發(fā)動機健康管理系統(tǒng)是一個多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，也是一個長期的建設(shè)項目。在發(fā)動機設(shè)計初期就必須開展健康管理系統(tǒng)設(shè)計工作，并且貫穿與整個的發(fā)動機研制及試驗過程。