喬夏君，薛 薇

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076； 2.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一種復(fù)雜的、高階、非線性、流體-機(jī)械-熱動(dòng)力系統(tǒng)，運(yùn)行條件惡劣且運(yùn)行時(shí)間短。大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)10～20年我國(guó)最大推力高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，將承擔(dān)我國(guó)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(diǎn)。因此，針對(duì)新一代大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展其故障診斷技術(shù)的研究，己成為提高我國(guó)未來(lái)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(dòng)機(jī)是運(yùn)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(dòng)機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視與診斷，在發(fā)生故障征兆時(shí)給出預(yù)警，及時(shí)采取保護(hù)措施，避免由于故障而引起的災(zāi)難性事故，保護(hù)運(yùn)載器與有效載荷安全，提高飛行任務(wù)可靠性[6-12]。無(wú)論從型號(hào)需求還是發(fā)動(dòng)機(jī)自身技術(shù)發(fā)展，開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)安全可靠運(yùn)行一直是運(yùn)載火箭推進(jìn)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，也是各航天強(qiáng)國(guó)的關(guān)注特點(diǎn)[19-22]。保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的主要手段有：1)在設(shè)計(jì)制造階段，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、采用新技術(shù)新材料新工藝、加強(qiáng)元器件和部組件檢測(cè)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(cè)試階段，盡可能地發(fā)現(xiàn)故障，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，消除安全隱患；3)采用健康監(jiān)控系統(tǒng)，在運(yùn)行階段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)采取相應(yīng)的控制手段，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的健康監(jiān)控系統(tǒng)，陸續(xù)提出和開(kāi)發(fā)了很多實(shí)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(dòng)機(jī)上的性能監(jiān)測(cè)、故障診斷系統(tǒng)的目的僅僅是是實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)，這一原始的簡(jiǎn)單系統(tǒng)為紅線報(bào)警系統(tǒng)。為了航天員及和設(shè)備安全，紅線報(bào)警系統(tǒng)主要監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，如果這些參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的紅線值，發(fā)動(dòng)機(jī)將立即關(guān)閉以防止發(fā)生災(zāi)難性故障。對(duì)于可能發(fā)生的傳感器故障，通過(guò)傳感器驗(yàn)證及故障調(diào)節(jié)檢查傳感器是否存在錯(cuò)誤輸出，對(duì)于被檢測(cè)到發(fā)生輸出錯(cuò)誤的傳感器，將會(huì)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(dòng)機(jī)的操作階段而改變相關(guān)的紅線值，通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)條件設(shè)置紅線值，控制計(jì)算機(jī)使用紅線值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，推進(jìn)系統(tǒng)中的其余發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有同步緊急關(guān)閉和其余發(fā)動(dòng)機(jī)的同步節(jié)流能力。

在紅線報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，診斷監(jiān)控、狀態(tài)評(píng)估等功能相繼實(shí)現(xiàn)。診斷監(jiān)控是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以檢測(cè)非標(biāo)稱(chēng)性能并可能調(diào)整控制以確保發(fā)動(dòng)機(jī)完成任務(wù)，這需要實(shí)時(shí)檢測(cè)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)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(píng)估在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射、飛行后，狀態(tài)評(píng)估過(guò)程使用已收集發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化、性能異常情況，并可能估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余壽命。

美國(guó)在此方面的研究比較成熟，其過(guò)程也是由簡(jiǎn)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(qiáng)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(cè)、診斷和控制的重要前提和基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)的故障模式分析對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)及其健康監(jiān)控系統(tǒng)可靠性具有重要意義，對(duì)于確定重點(diǎn)監(jiān)控部件、選擇關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)以及制定故障檢測(cè)和診斷準(zhǔn)則等具有重要的指導(dǎo)意義。

SSME雖然已經(jīng)可靠、安全地進(jìn)行了超過(guò)30次的航天飛機(jī)任務(wù)，并進(jìn)行了超過(guò)411 000秒的地面測(cè)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(duì)較小的。計(jì)劃和執(zhí)行SSME的地面測(cè)試是為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠安全的飛行運(yùn)行。超過(guò)1 200個(gè)SSME靜態(tài)點(diǎn)火，累計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了270 000秒，在開(kāi)發(fā)和運(yùn)行期間的地面測(cè)試中經(jīng)歷了40次過(guò)早關(guān)機(jī)，其中有27次足夠嚴(yán)重稱(chēng)為“重大事故”的地面試驗(yàn)失敗，導(dǎo)致了大量的發(fā)動(dòng)機(jī)硬件損壞。在地面測(cè)試期間，SSME的故障非常嚴(yán)重，無(wú)論是對(duì)于硬件損失，還是給定發(fā)動(dòng)機(jī)或部件上累積的測(cè)試時(shí)間。SSME在飛行過(guò)程中的重大故障威脅著飛行人員和設(shè)備財(cái)產(chǎn)的安全，還可能會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)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(huì)報(bào)告、承包商故障報(bào)告、原始記錄數(shù)據(jù)以及與故障相關(guān)的工程說(shuō)明、數(shù)據(jù)庫(kù)和演示文稿在內(nèi)的各種資源，進(jìn)行了SSME故障審查。已經(jīng)確定了約900個(gè)關(guān)鍵性故障模式，大多數(shù)SSME故障是由于環(huán)境知識(shí)不足和對(duì)部件施加的負(fù)擔(dān)造成的；特別是動(dòng)態(tài)負(fù)載。一些故障模式與幾個(gè)測(cè)試周期后消除的設(shè)計(jì)問(wèn)題或材料缺陷相關(guān)。高周期疲勞是導(dǎo)致故障的最常見(jiàn)機(jī)制。27次SSME地面試驗(yàn)故障中有18次發(fā)生在恒定功率水平的主級(jí)運(yùn)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(xiàng)目表。在已經(jīng)有的故障模式中，對(duì)故障產(chǎn)生的原因、效應(yīng)和發(fā)生概率等都作了說(shuō)明。

美國(guó)于1987年公布了SSME故障模式與效應(yīng)分析以及關(guān)鍵項(xiàng)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(xiàng)目表

從表1中的14種SSME關(guān)鍵故障模式中，按經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，劃分了故障等級(jí)，確定了5個(gè)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(dòng)機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的“3個(gè)階段”為：

1)20世紀(jì) 70 年代研制的“紅線閾值檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)(Redline)”，也稱(chēng)為紅線關(guān)機(jī)系統(tǒng)，是傳感器密集型的紅線閾值故障檢測(cè)方法，這種方法主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程，不能對(duì)起動(dòng)、關(guān)機(jī)、推力改變等瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)控[4-5]。

紅線關(guān)機(jī)系統(tǒng)可以對(duì) SSME 高壓渦輪泵的五個(gè)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(jí)渦輪密封壓力)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在地面試車(chē)時(shí)還增加了9個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)。為了避免誤報(bào)，對(duì)紅線關(guān)機(jī)進(jìn)行了傳感器冗余設(shè)計(jì)和邏輯表決，即只有某個(gè)傳感器在3個(gè)或3個(gè)以上采樣周期里參數(shù)超限時(shí)才能為關(guān)機(jī)決策投一票，關(guān)機(jī)決策由測(cè)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(jiǎn)單監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的漏報(bào)率和誤報(bào)率仍然較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)在SSME發(fā)動(dòng)機(jī)早期試車(chē)中，故障檢測(cè)參數(shù)的漏報(bào)率高達(dá)60.5%，這主要是由門(mén)限值界定辦法本身的缺陷等原因所致。

紅線關(guān)機(jī)系統(tǒng)采用固定閾值進(jìn)行判斷，無(wú)需數(shù)學(xué)模型，算法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，計(jì)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(chē)和飛行試驗(yàn)系統(tǒng)中；但該系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求較高，對(duì)緩變故障和早期故障難以及時(shí)檢測(cè)，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(cè)的效果，NASA在紅線閾值故障檢測(cè)方法上發(fā)展的一種改進(jìn)方法，異常和故障檢測(cè)系統(tǒng)[7](SAFD， system for anomaly and failure detection)。SAFD可以視為改進(jìn)紅線方法的第一步，是一種實(shí)時(shí)故障檢測(cè)算法，用于在地面測(cè)試期間檢測(cè)SSME穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的異常，它采用統(tǒng)計(jì)置信區(qū)間、窗口移動(dòng)、滑動(dòng)平均的方法對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測(cè)邏輯包括計(jì)算在一定的時(shí)間窗口內(nèi)傳感器測(cè)量信號(hào)的平均值。

該系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)、測(cè)量SSME部件的壓差、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速和閥門(mén)位置等23路參數(shù)，能診斷發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生的三類(lèi)故障。另外系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可以進(jìn)行多種算法的并行運(yùn)算，同時(shí)采用冗余設(shè)計(jì)和表決報(bào)警技術(shù)，提高了故障檢測(cè)可靠性。為了節(jié)約時(shí)間和防止不必要的浪費(fèi)和事故發(fā)生，SAFD系統(tǒng)一旦檢測(cè)到故障，即立即關(guān)機(jī)，而不判斷故障類(lèi)型。SAFD比較簡(jiǎn)單實(shí)用，但是對(duì)故障的覆蓋率、敏感性以及傳感器對(duì)故障的承受能力仍然滿(mǎn)足不了發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控要求。比紅線系統(tǒng)能更早檢測(cè)出故障，可靠性有所提高，但它只適用于穩(wěn)態(tài)過(guò)程的監(jiān)控，而且對(duì)故障的覆蓋率和敏感度較低。

3)高級(jí)階段： 美國(guó)針對(duì) SSME研制了不同需求的健康管理系統(tǒng)：健康監(jiān)測(cè)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(jìn)健康管理系統(tǒng)[11](AHMS, advanced health management system)等。

2004 年，為提高空間運(yùn)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(jìn)健康管理系統(tǒng)AHMS。AHMS是一種可擴(kuò)展、靈活升級(jí)的系統(tǒng)，可以通過(guò)改變輸入數(shù)據(jù)輕松適應(yīng)其他發(fā)動(dòng)機(jī)配置；通過(guò)降低航天飛機(jī)任務(wù)的動(dòng)力上升階段發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生災(zāi)難性故障的概率來(lái)改善航天飛機(jī)的安全性和可靠性。該系統(tǒng)包括3個(gè)實(shí)時(shí)故障檢測(cè)子系統(tǒng)，即先進(jìn)實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、光學(xué)羽流異常檢測(cè)系統(tǒng)和線性發(fā)動(dòng)機(jī)模型系統(tǒng)，并通過(guò)箭載健康管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行集成，降低航天飛機(jī)上升階段發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生災(zāi)難性故障的概率，提高了航天運(yùn)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(jī)升空損失概率方面的效果甚至優(yōu)于型號(hào)本身改進(jìn)的效果。

2017年7月26日，NASA對(duì)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)500 s的試車(chē)，目的是為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)控制及健康管理系統(tǒng)，在發(fā)射和飛行過(guò)程中與飛行控制器進(jìn)行通訊，接收并反饋發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

與美國(guó)早期的在液體火箭故障診斷及健康管理領(lǐng)域展開(kāi)的相關(guān)技術(shù)研究及開(kāi)發(fā)應(yīng)用類(lèi)似，其它國(guó)家也進(jìn)行了一些類(lèi)似的研究。除美國(guó)外，其他各國(guó)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的研究也由來(lái)已久[29-33]。同時(shí)，歐洲及日本等國(guó)家也一直比較重視發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、壽命預(yù)測(cè)方面的研究工作[24-37]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)關(guān)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)。從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始不同高校及研究所陸續(xù)研制了多個(gè)性能監(jiān)視、故障診斷系統(tǒng)，并且對(duì)試車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理集成建立了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障數(shù)據(jù)庫(kù)[14-16]。

YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)目前在地面試車(chē)使用的故障診斷方案主要是紅線判斷，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行閾值判定，從而判定是否緊急關(guān)機(jī)。

北京航天動(dòng)力研究所也開(kāi)發(fā)了一套基于振動(dòng)數(shù)據(jù)試后分析的軟件，能夠進(jìn)行振動(dòng)分析和故障診斷，通過(guò)時(shí)域、幅域、頻域以及時(shí)頻域的振動(dòng)分析，判定在各個(gè)時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，并在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不正常時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的故障特征庫(kù)，判斷出故障類(lèi)別，輸出故障分析報(bào)告。該軟件是試后分析軟件，能夠在試車(chē)后第一時(shí)間對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，從而判定發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),就需要有發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)SSME的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能?；谀Ｐ偷墓收显\斷算法通過(guò)處理傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)和利用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型來(lái)跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí), 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(cè)量偏離模型預(yù)計(jì)值就表示出現(xiàn)故障。經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)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。基于模型的故障診斷算法需要精確的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。這些模型大部分是線性和時(shí)不變的。模型的誤差和系統(tǒng)非線性在一定程度上會(huì)影響算法的魯棒性和檢測(cè)靈敏度?；谀Ｐ万?qū)動(dòng)的故障預(yù)測(cè)方法在理論上是完備的，但是其故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性取決于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精度。對(duì)于工變化大，組件眾多的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，建立其工作過(guò)程精確數(shù)學(xué)模型十分困難，特別是其故障機(jī)理復(fù)雜，很難建立能夠描述發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)展變化的數(shù)學(xué)物理模型[38-40]。

在實(shí)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(jì)算成本巨大難以實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，在系統(tǒng)試驗(yàn)、使用和維護(hù)等階段的測(cè)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(jìn)行了大量的試驗(yàn), 并且已經(jīng)有大量的正常工作和故障模式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)信號(hào)處理、特征提取和分類(lèi)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(lái)把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為正常和故障兩類(lèi)。

在缺乏精確的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，人工智能技術(shù)利用專(zhuān)家知識(shí)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(dòng)決策過(guò)程。自動(dòng)決策過(guò)程依靠以知識(shí)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(guó)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理研究及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 我國(guó)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)

由于運(yùn)載火箭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的智能化要求，我國(guó)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)也逐步開(kāi)展起來(lái)了。發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷/隔離與壽命預(yù)測(cè)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(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)功能示意圖

北京航天動(dòng)力研究所針對(duì)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)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(cè)量層，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及不同部件的試驗(yàn)采集關(guān)鍵參數(shù)的信號(hào)。由下往上，第二層是數(shù)據(jù)層，通過(guò)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和歸檔，同時(shí)通過(guò)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，根據(jù)需要構(gòu)建出無(wú)故障的發(fā)動(dòng)機(jī)模型和不同故障情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。第三層是診斷層，通過(guò)設(shè)計(jì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的診斷算法結(jié)合試車(chē)數(shù)據(jù)或者仿真模型開(kāi)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(lèi)型。第四層是決策層，通過(guò)診斷結(jié)果進(jìn)行專(zhuān)家系統(tǒng)的判斷。最高層是執(zhí)行層，經(jīng)過(guò)一系列的診斷分析后，給出一個(gè)彌補(bǔ)的措施，常見(jiàn)的有緊急關(guān)機(jī)、啟動(dòng)備份等。

圖2 健康管理各級(jí)功能示意圖

結(jié)合研究對(duì)象，綜合考慮設(shè)計(jì)依據(jù)的需要，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理分為機(jī)載和地面部分，發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)原理圖

機(jī)載部分：傳感器部分主要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及位置信息，健康管理部分通過(guò)測(cè)量得到的傳感器信號(hào)估算出不可測(cè)量參數(shù)，綜合可測(cè)及不可測(cè)量參數(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)分析，在故障診斷的過(guò)程中是分別按照發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)-主級(jí)-關(guān)機(jī)3個(gè)不同過(guò)程采用不同方法進(jìn)行診斷，最后給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器診斷結(jié)果及應(yīng)對(duì)措施，保存發(fā)動(dòng)機(jī)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠、高效的工作?？刂撇糠种饕òl(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律、控制算法、緊急關(guān)機(jī)等功能。

地面部分：發(fā)動(dòng)機(jī)每完成一次飛行完畢后在地面需要進(jìn)行一次全面檢查，將發(fā)動(dòng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)及與飛行過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別通過(guò)離線狀態(tài)分析得到發(fā)動(dòng)機(jī)部件狀態(tài)趨勢(shì)；通過(guò)故障模式的對(duì)比分析得到發(fā)動(dòng)機(jī)部件預(yù)警結(jié)果。通過(guò)維修計(jì)劃分析進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)返廠維修，最終實(shí)現(xiàn)健康管理綜合報(bào)告。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基于最優(yōu)理論的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化及不可測(cè)參數(shù)估計(jì)算法研究

縱觀國(guó)外的各類(lèi)測(cè)點(diǎn)布置方法研究，它們具有基本的組合優(yōu)化問(wèn)題求解模式。由于實(shí)際工程中測(cè)點(diǎn)布置與選擇方法涉及的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)多、系統(tǒng)機(jī)理復(fù)雜等原因，無(wú)法簡(jiǎn)單的確定目標(biāo)函數(shù)。

測(cè)點(diǎn)布置問(wèn)題的前提是要根據(jù)工程需求，所關(guān)注的各類(lèi)頂層需求包括：1)故障檢測(cè)有效性，包含故障檢測(cè)準(zhǔn)確度和故障檢測(cè)速度；2)故障檢測(cè)的可靠性；3)故障檢測(cè)的魯棒性；4)故障定位(辨識(shí))的準(zhǔn)確性；5)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的可觀測(cè)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(chǎng)景下有不同的定義，如測(cè)點(diǎn)數(shù)量限制、安裝空間限制、成本限制等。

發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命、振動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及工作時(shí)間。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)及總體需求確定需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)。目的就是通過(guò)傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)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(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)狀況。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性質(zhì)有些關(guān)鍵的參數(shù)不可測(cè)量，如混合比、推力等，這就需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不可測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，因此通過(guò)可測(cè)的參數(shù)來(lái)估計(jì)不可測(cè)參數(shù)。

國(guó)外的測(cè)點(diǎn)布置和選擇方法具有明顯的求解組合優(yōu)化問(wèn)題的共同特征，呈現(xiàn)出一個(gè)相對(duì)成熟的系統(tǒng)。測(cè)點(diǎn)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(cè)的有效性，同時(shí)對(duì)于需求的可實(shí)現(xiàn)性做出理論分析。各個(gè)研究之間最大的不同體現(xiàn)在系統(tǒng)模型、評(píng)價(jià)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(yǔ)有一定差異性，但具有相似的內(nèi)核。這些特征使國(guó)外的相關(guān)研究具有理論框架融合同一，實(shí)際應(yīng)用各具特異性的發(fā)展特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)測(cè)點(diǎn)參數(shù)布置與選擇的方法研究較少。早期選擇測(cè)點(diǎn)的方法僅通過(guò)簡(jiǎn)單的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)故障仿真來(lái)觀察測(cè)點(diǎn)參數(shù)的變化特征，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析選擇測(cè)點(diǎn)；近年來(lái)僅有的兩個(gè)案例對(duì)于測(cè)點(diǎn)選擇的需求僅關(guān)注了故障檢測(cè)的有效性，且使用的是多準(zhǔn)則決策算法，缺乏組合優(yōu)化方法的嚴(yán)謹(jǐn)性。綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成全面化系統(tǒng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)布置方法研究體系。

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

發(fā)動(dòng)機(jī)主級(jí)工況下各個(gè)參數(shù)相對(duì)比較平穩(wěn)，同時(shí)工作時(shí)間最長(zhǎng)，這個(gè)階段重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)比較多。發(fā)動(dòng)機(jī)主級(jí)工作階段主要受供應(yīng)系統(tǒng)的流體和機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及燃燒室、發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的控制。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)主級(jí)工作階段主要有兩種不同類(lèi)型的工作模式，一種是發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)主級(jí)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(dòng)機(jī)在整個(gè)主級(jí)工作階段除額定工況外，還存在多個(gè)工況的轉(zhuǎn)變過(guò)程。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和耦合性強(qiáng)，物理關(guān)系模糊，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作階段過(guò)程復(fù)雜，缺乏先驗(yàn)知識(shí)；算法本身存在如實(shí)時(shí)性、魯棒性等局限。因此需要采用多數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行診斷。

2.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理器工作過(guò)程中復(fù)雜環(huán)境壽命仿真分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，對(duì)于由電子元器件組成的健康管理器來(lái)說(shuō)，如何在設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)際工作過(guò)程中，健康管理器通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)各傳感器輸出信號(hào)，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)并據(jù)此運(yùn)行故障診斷算法，最后將發(fā)動(dòng)機(jī)健康診斷結(jié)果分別發(fā)送給箭體及發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。

2.2.4 先進(jìn)測(cè)量技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)中應(yīng)用

在健康管理系統(tǒng)中，對(duì)于智能傳感器的智能特征要求為：實(shí)現(xiàn)自主校準(zhǔn)、檢查、比例縮放等功能，進(jìn)行自身健康評(píng)價(jià)、異常檢測(cè)，具有分布式通信功能。智能傳感器要實(shí)現(xiàn)的功能：使用適當(dāng)算法處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，提取有用的工程單位，并估計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及前期處理外，還具備對(duì)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，產(chǎn)生對(duì)數(shù)據(jù)完整性和健康狀態(tài)的評(píng)估。用于健康評(píng)估的算法可以是原始的簡(jiǎn)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(jìn)行處理。

分布式健康管理架構(gòu)的關(guān)鍵是參與節(jié)點(diǎn)之間的通信，所選擇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔仨毮軌驖M(mǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸所需的帶寬，除了考慮測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)量及處理結(jié)果以某個(gè)時(shí)間為基準(zhǔn)，為上層系統(tǒng)進(jìn)一步使用處理分析數(shù)據(jù)提供有效支持。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要梳理了國(guó)外液體火箭發(fā)動(dòng)健康管理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)及故障診斷現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

我國(guó)關(guān)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理方面開(kāi)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(lái)說(shuō)在故障診斷系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)等方面也有一定的成果，具備了以下能力。

1)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要包含點(diǎn)火前、啟動(dòng)過(guò)程、主級(jí)工況3個(gè)主要的階段。點(diǎn)火啟動(dòng)前需進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中，推進(jìn)劑加注前，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)，如流體壓力、溫度、閥門(mén)開(kāi)度等，分階段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，排除可能存在的故障隱患。發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)或飛行過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)、故障模型、診斷算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、診斷。

2)具備離線評(píng)估能力，發(fā)動(dòng)機(jī)離線狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)包括穩(wěn)態(tài)壓力、溫度、振動(dòng)參數(shù)。具備發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估能力。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)工作過(guò)程中發(fā)生的故障進(jìn)行分析、判定、定位和評(píng)估。具備壽命監(jiān)控能力。基于測(cè)量參數(shù)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)，記錄并管理發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、渦輪泵、燃燒裝置、閥門(mén)工作次數(shù)、壽命裕度，為組件檢測(cè)、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(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，建立起一套適用于發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期健康管理系統(tǒng)體系。構(gòu)建氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)各個(gè)部件故障診斷的影響規(guī)律。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，也是一個(gè)長(zhǎng)期的建設(shè)項(xiàng)目。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期就必須開(kāi)展健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，并且貫穿與整個(gè)的發(fā)動(dòng)機(jī)研制及試驗(yàn)過(guò)程。