新一代大推力液体火箭发动机故障检测与诊断关键技术研究

摘要

本文以我国新一代大推力液氢液氧和液氧煤油发动机为研究对象，针对其故障检测与诊断中所涉及的模块化故障仿真、启动与稳态工作过程实时故障检测、管路和涡轮泵等关键重要部件的故障检测与隔离、发动机试后性能偏差与故障分析以及故障检测与诊断系统的集成实现与验证等关键技术，开展了系统深入的研究工作。研究结果可直接用于发展我国新一代大推力液体火箭发动机健康监控系统，同时对提高新一代长征系列大型运载火箭以及未来航天活动的可靠性、安全性也具有重要的参考价值。
　　本文针对液体火箭发动机实际故障样本少、故障模式难以获取的问题，论文完善了通用化的模块化建模方法，建立了发动机模块化故障仿真软件系统，对关键部件的典型故障进行了故障仿真及效应分析。仿真计算结果与发动机实际试车数据吻合较好，可以为故障检测与诊断方法提供重要的发动机故障样本数据。针对发动机启动过程参数变化剧烈、非线性强的特点，研究实现了发动机启动过程基于模糊聚类的故障检测算法。针对发动机稳态工作过程参数比较平稳的特点，研究实现了发动机稳态工作过程的自适应阈值和自适应相关故障检测算法。使用发动机试车数据进行验证，结果表明，上述算法能实时、有效地检测出发动机运行过程出现的故障。针对管路、节流圈和喷嘴等部件堵塞与泄漏故障的隔离问题，设计实现了针对压差比值这一特征参数的自适应阈值管路故障隔离算法。算法经过不同型号发动机的多次历史数据验证，结果表明：针对压差比值的自适应阈值故障隔离算法在发生单个管路、阀门、节流圈、喷嘴等突变故障时，能够迅速地隔离出部件的故障，而其余正常部件不会报警，从而实现故障部件的隔离。针对自适应阈值算法对于缓变故障不敏感的问题，设计实现了基于压差比值斜率的统计阈值管路故障隔离方法。使用多次试车数据进行验证，结果表明：所设计的算法能够清楚的隔离出管路缓变故障位置，对于突变故障同样可以得到很好的结果，而对于正常试车没有发出误报警。针对液体火箭发动机部件级故障隔离问题，在分析故障可隔离性以及部件级故障隔离对参数要求的基础上，提出并实现了基于模糊模型的部件级故障隔离方法。经过仿真数据和大量实际试车数据的验证与考核，结果表明：该方法能够隔离出参数变化明显的部件故障，对于正常试车没有误报警；对于参数变化不明显的偏差，需要对特定参数进行进一步的检测。针对发动机实际性能与设计值之间偏差的确定问题，研究了发动机试后性能偏差分析技术。该方法通过某台发动机试车数据考核验证，得到了发动机实际性能，可以为发动机试后评估提供依据。最后，集成上述理论与方法的研究结果，设计实现了新一代大推力液体火箭发动机地面试车故障检测与诊断系统，并结合发动机地面热试车与历史数据进行了考核验证。结果表明，实时故障检测与报警子系统在实验室演示验证环境以及地面试车试验中运行稳定正常，能够实时监控发动机的状态，没有发生误报警与漏报警；试后分析子系统在综合多种方法的情况下能够对发动机进行全面的诊断与分析，对于考量发动机的可靠性、安全性等性能指标是否达到运载火箭和实际飞行的总体要求具有重要意义，可以为某型发动机在后续飞行产品交付中校准试车后不分解并直接交付总体提供有力支撑。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 液体火箭发动机故障检测与诊断方法研究综述

1.3 液体火箭发动机健康监控系统研究综述

1.4 论文的组织结构与内容安排

第二章 液体火箭发动机模块化故障仿真方法研究

2.1 引 言

2.2 发动机系统故障模式分析及故障分类

2.3 液体火箭发动机系统模块化建模方法

2.4 液氢液氧发动机模块化故障仿真

2.5 液氧煤油发动机模块化故障仿真

2.6 小 结

第三章 液体火箭发动机启动与稳态工作过程实时故障检测方法研究

3.1 引 言

3.2 基于模糊聚类的启动过程故障检测算法

3.3 基于自适应阈值的稳态工作过程故障检测算法

3.4 基于自适应相关的稳态工作过程故障检测算法

3.5 小 结

第四章 液体火箭发动机管路部件故障隔离方法研究

4.1 引 言

4.2 管路部件泄漏故障

4.3 管路部件堵塞故障

4.4 基于自适应阈值的管路突变故障隔离算法研究与实现

4.5 基于统计阈值的管路缓变故障隔离算法研究与实现

4.6 小 结

第五章 液体火箭发动机基于ANFIS的部件级故障隔离方法研究

5.1 引 言

5.2 基于模糊模型的发动机部件级故障隔离方法

5.3 基于ANFIS的发动机部件级故障隔离方法实现与验证

5.4 小 结

第六章 液体火箭发动机试后性能偏差分析方法研究

6.1 引 言

6.2 发动机地面校准试车性能偏差分析方法

6.3 氢氧发动机地面校准试车性能偏差计算结果与分析

6.4 小 结

第七章 液体火箭发动机地面试车故障检测与诊断系统实现与验证

7.1 引 言

7.2 发动机地面试车故障检测与诊断系统框架设计

7.3 发动机地面试车故障检测与诊断系统软硬件设计与实现

7.4 发动机地面试车故障检测与诊断系统考核与验证

7.5 小 结

结论与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果