[发明专利]基于数学模型时不变信息的液体火箭发动机故障诊断方法

说明书

本发明提供一种基于数学模型时不变信息的液体火箭发动机故障诊断方法，首先针对液体火箭发动机，建立其各主要组成部件的数学模，并且构建表征该部件工作状态的时不变系数；分析表征各部件状态的时不变系数受发动机工作状态影响的变化规律，并根据所述变化规律定义各部件的阈值；对于待检测的液体火箭发动机，采集其工作状态下各部件的状态数据，根据采集到的状态数据计算出各部件时不变系数并将其与前面确定的阈值进行对比，进行发动机故障检测与诊断。本发明解决先验知识缺乏、故障样本不足以及故障模式不完备等条件下，液体火箭发动机故障检测与诊断困难的问题，可以有效实现前述困难条件下液体火箭发动机的故障检测与诊断。

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机故障检测领域，具体涉及基于数学模型时不变信息的液体火箭发动机故障诊断方法。

背景技术

液体火箭发动机是运载火箭推进系统的主要动力装置和关键组成部分，但同时，液体火箭发动机是个非常复杂的流体—热动力系统，不仅工作在高温、高压、强震动和强腐蚀等恶劣环境下，而且工作阶段能量释放非常集中，因而是故障多发部位。迄今为止，全世界对液体火箭发动机的研究已有近百年，各项故障检测和隔离技术也日趋成熟，但在实际的发射任务中，依然无法避免因发动机故障而带来的损失和灾难。火箭发动机一旦发生故障，轻则影响发动机的工作性能，重则导致空间任务失败甚至危及航天员的生命，造成难以估计的损失。2006年7月26日，一枚由俄制RS-20重型洲际弹道导弹改造的运载火箭搭载18颗卫星在哈萨克境内贝康诺太空中心发射，升空不久后便因发动机故障而坠毁；2010年12月25日，搭载着印度国产GSAT-5P卫星的GSLV-F06运载火箭，由于第一级发动机出现严重技术故障，在发射升空后不到1分钟即开始冒烟并偏离轨道，大约19分钟后，这枚火箭在空中猛烈爆炸，星箭俱毁；2011年8月24日，搭载“进步M-12M”货运飞船的“联盟-U”火箭在升空不久后便发生爆炸，后经调查，发现是火箭第三级的动力设备发生故障；2011年12月23日，俄罗斯发射的搭载着“子午线”通信卫星的“联盟-2.1B”火箭，由于第三级火箭发动机出现故障，未能进入预定轨道；2013年7月2日，在拜科努尔发射场发射的俄“质子M/DM3”运载火箭在点火后17秒，一级助推器突然进入故障模式并关闭，导致箭上载有的600吨的有毒燃料(偏二甲肼)泄露，引起当地大面积环境污染；2014年5月22日，在美国斯坦尼斯航天中心进行试验的AJ-26型液氧煤油发动机，点火30秒时出现故障，造成发动机大范围损坏，试验被迫停止；2014年10月28日，美国沃罗普斯飞行中心发射“心宿二”号运载火箭时，由于火箭发动机出现故障，在点火起飞6秒后坠落在发射场，火箭所搭载的“天鹅座”货运飞船损失惨重；2015年5月16日，搭载墨西哥通信卫星的俄罗斯“质子-M”运载火箭在发射升空500秒后，由于火箭第三级发动机故障导致火箭坠毁；2015年6月28日，计划向国际空间站运送大量物资的“龙”飞船，由美国SpaceX公司研制的“猎鹰9号”运载火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，但仅在飞船发射升空数分钟后，由于火箭发动机故障导致在空中爆炸，“猎鹰9号”的另一次发射事故是在2012年10月7日，也是由于火箭一台发动机故障，致使其搭载的一颗OG2原型通信卫星未能到达预定轨道。据统计，航天大国(如俄罗斯、美国、中国)虽然发射火箭的次数很多，但失败的次数也不少，成功率最高也仅有96.1％，比较低是印度和以色列，成功率仅有百分之六七十。因此，开展液体火箭发动机故障检测与诊断方法研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。