基于Hessian局部线性嵌入和MLP-Mixer的液体火箭发动机涡轮泵轻量化故障诊断框架

作为液体火箭发动机推进剂输送系统的关键部件,涡轮泵的运行状态直接影响着整个运载系统的性能,然而,现有的故障诊断方法往往面临特性参数选择片面及计算复杂度高等问题。针对上述局限,提出了面向涡轮泵的轻量化故障诊断框架。所提方法利用Hessian局部线性嵌入算法对信号时域、频域及时频特征进行降维,并引入一种轻量化的深度学习模型MLP-Mixer作为分类器,进而实现不同故障状态的辨识。采用某型号涡轮泵试车数据验证了所提方法的有效性,结果表明,该方法能够在保障诊断精度的同时有效降低计算复杂度,提高诊断效率。

液体火箭发动机健康监控技术研究进展

液体火箭发动机健康监控技术作为保障运载火箭安全、可靠发射的核心关键技术,经过几十年的发展,有力推动了航天事业的进步。介绍了液体火箭发动机健康监控技术中故障检测与诊断、容错控制与健康监控系统研制等技术的研究现状与发展趋势;梳理了健康监控领域面临的重难点问题,并提出相应的解决方案。分析展望了液体火箭发动机健康监控技术未来发展趋势,为从事火箭发动机健康监控技术研究的科研人员提供参考。

某液体火箭发动机用起动器峰值压力时间超差故障研究

针对某液体火箭发动机用起动器峰值压力时间超差故障,进行了原因分析,提出了改进措施并对其有效性进行了试验验证。结果表明:造成起动器峰值压力时间超差故障的原因为起动器内膜片与端盖间的焊接强度不足,在高温燃气冲击下膜片过早脱落、烧蚀,从而导致压力提前泄放。提出将1圈焊接改进为2圈焊接、将点焊改进为连续焊接,焊接后增加气密性及承压性能检测,以及加强削弱槽深度检测等改进措施。验证试验表明上述改进措施可有效避免起动器出现峰值压力时间超差故障。

液体火箭发动机热试车启动中导流锥对燃气管路流动特性影响研究

双推力室液体火箭发动机启动过程中,若出现两支管流量分配不均等现象,极易引起点火失败,造成重大损失。因此,燃气管路分叉处内部流动特性和在分叉处布置导流锥对改善流动特性影响的研究具有重要意义。本文针对某双推力室液体火箭发动机热试车启动过程中的燃气管路,以试验数据作为边界条件,开展了瞬态流动数值仿真研究。结果表明,火箭发动机热试车启动过程中,燃气管路流动呈现出4个典型阶段,分别为点火前的平稳期、点火后的一次上升期、下降期和二次上升期。在启动过程中,无导流锥时,导流罩进口存在预旋回流区、一侧出口存在滞止回流区,导流罩与燃气支管衔接处内侧存在转弯回流区,三者相互作用是造成两支管间压力分布不对称及出口质量流量分配不平衡的主要原因;有导流锥时,预旋回流区被导流锥约束而缩小,滞止回流区消失。有导流锥与无导流锥时相比,在启动过程中约0.2 s与0.6 s时刻,两支管对称测点压差均值分别降低约80.0%与80.0%,两支管出口质量流量差值分别降低约55.0%与80.8%。导流锥有效改善了流动特性,使得两支管压力分布的对称性提高,流量分配平衡性增强。导流锥对双推力室液体火箭发动机稳定性提高有重要作用。

液体火箭发动机隔板研究综述

隔板是在液体火箭发动机当中用来抑制不稳定燃烧的一种阻尼装置,国内外多种型号的运载火箭都通过隔板消除了不稳定燃烧,得益于其简单的结构和较好的阻尼效果,隔板将在当下和未来保障推进系统稳定运行。简要介绍了隔板的结构形式,分析了隔板的存在对燃烧室内燃烧过程和声场的影响机理,给出了隔板的结构参数(隔板形式、叶片长度、叶片数量等)对阻尼效果的影响,分析了国内外针对隔板的研究成果。最后,基于当前的研究现状提出了对隔板未来研究的展望。

液体火箭发动机可重复使用性设计技术分析

为适应可重复使用液体火箭发动机设计研制的需要,以航天飞机、猎鹰9号火箭和X-37B的动力系统为对象,开展了可重复使用液体火箭发动机关键设计技术研究。文献调研与工程研制经验相结合,从运维体系建设、核心件功能设计、成本化设计与控制等方面,分析了发动机可重复使用性设计方法,提出了关键技术难题。研究结果表明:发动机的深度变推力技术、多次启动技术、喷管大角度调节技术,以及故障诊断与监测技术等,是火箭顺利回收的基本保障技术;液体火箭发动机有着显著的高、低温,强振动工况,极端环境材料性能数据建库技术、寿命设计与控制技术、全寿命周期运营体系设计技术等是迫切需要解决的关键技术难题;以发动机的性能、可靠性、维修性、安全性和保障性发展的发动机成本限额设计技术将会成为解决发动机可重复使用性的高新技术。

液压成形对液体火箭发动机多层增强S型波纹管结构疲劳寿命的影响

完善液体火箭发动机燃气摇摆装置中增强S型波纹管组件的疲劳寿命评估方法,提高其疲劳寿命预测精度,是发展可重复使用液体火箭发动机的重要课题之一。针对多层增强S型波纹管,为了计算其液压成形后的实际寿命数据,了解成形工艺对其疲劳寿命的影响,提出一种充分考虑成形制备过程对结构不同区域几何构型和材料力学性能造成差异化影响后的波纹管疲劳寿命分析方法。该方法基于成形仿真和材料拉伸试验结果,构建实际波纹管有限元模型并进行三维仿真分析,得到其在高内压和不同摆动工况下结构危险点的循环载荷信息,并根据波纹管结构的低周疲劳失效特点采用子午向应力应变数据,以及经过平均应力应变修正的Manson-Coffin(M-C)公式对波纹管的循环寿命进行估算和对比分析。结果表明:波纹管疲劳寿命薄弱点位置和大小均与循环摆角有关;在预测计算中考虑液压成形作用影响更接近实际场景,所得结构疲劳寿命大小和所在区域均与理论模型值存在差异,在结构设计、优化和健康监测中不应忽视其影响。

液体火箭发动机尾焰金属发射光谱仿真与实验研究

液体火箭发动机尾焰包含丰富的光谱信息,可以作为检测发动机运行状态与故障情况的重要依据。本文建立了高精度的液体火箭发动机尾焰金属发射光谱数值模拟方法,该方法以逐线法(Line-by-Line,LBL)为基础,考虑介质的光学厚度影响。利用该方法,对液体火箭发动机发生故障时,尾焰中可能存在的铁、镍、钾发射光谱进行了数值模拟,模拟结果与NASA光谱模拟程序所得结果相吻合。最后,在甲烷-氧气、乙烯-氧气预混火焰开展了铁、钾发射光谱的实验验证,结果表明,以光谱面积与特征峰强度为对比参数,光谱模拟结果和实验结果的相对误差在2.5%以下,利用实验数据,进一步讨论了光学薄和光学厚两种模型的适用性。

重复使用液体火箭发动机原位无损检测技术应用及展望

重复使用航天运载器是国家战略科技的前沿,研制可重复使用液体火箭发动机成为这一趋势下的迫切需求。火箭返回后发动机是全箭重点检测和维护对象,通过无损检测技术手段在发动机原位状态下获得结构健康状态信息,快速判断产品寿命是否满足再次使用要求,对提高液体火箭发动机重复使用可靠性至关重要。综述了当前应用于航空航天领域的无损检测技术,对其在液体火箭发动机中的适用性进行了评估和分析。结合液体火箭发动机特点和重复使用无损检测应用场景,超声检测、数字图像测量、羽流光谱和快响应动态传感器等技术亟需开展研究,同时应开发自动化、智能化专用检测设备,形成快速使用维护处理与检测系统,实现液体火箭发动机便携高效、缺陷可视化和定量化等检测能力。

数据驱动的液体火箭发动机健康监测算法研究

针对火箭发动机氧涡轮转子轴盘根部断裂、轴盘接合处裂纹等故障难以识别定位的问题,基于某型液体火箭发动机测试数据,构建机器学习、数据分析等方法,绕过其内部复杂物理机理,从数据层面对氧涡轮泵进行故障检测与模式判别。对于故障检测,提出了两种分别适用于速变数据与缓变数据的故障检测算法,两种算法能够处理多种工况下的火箭发动机数据,经检验,这两种算法都具有较高的准确率,分别为84.2%、94.9%。针对故障模式判别,给出了一种基于滑动窗口的聚类算法,可以实现不同故障模式的区分,其中针对两种故障模式的识别准确率分别达到了86.2%、95.5%,并且给出了两种故障模式对应的振动数据异常频率区间,这可为相关研究人员提供与故障有关的有用线索。

液体火箭发动机用橡胶密封材料低温密封性能

为研究液体火箭用橡胶密封材料的低温密封性能,采用多种橡胶材料低温特征温度测试方法对液体火箭发动机常用的5种橡胶密封材料低温性能进行表征,在不同压缩率、不同工作温度及不同压差下对各橡胶密封材料在低温下的密封能力开展试验研究。建立橡胶密封圈仿真模型,分析橡胶密封圈在不同工作温度及不同压差的密封性能,并探讨其低温密封机制。研究结果表明:低温环境下橡胶低压缩率下的密封能力高于高压缩率下的密封能力;低温环境下由于橡胶的低温收缩和弹性模量急剧增大,在低压差下难以导致橡胶材料变形从而形成密封,须提高压差使得密封表面产生足够接触压力而形成密封。因此橡胶材料低温密封能力与材料低温收缩性能、弹性模量及压差相关,且工作温度超过橡胶低温下临界温度后,O形圈密封能力弱,易发生泄漏。

变形高温合金在液体火箭发动机中的应用进展及展望

变形高温合金以其良好的耐高温、抗氧化、抗热腐蚀性能和较好的冷、热加工性,在液体火箭发动机推力室身部、涡轮壳体、涡轮转子等热端部件中得到了广泛的应用。通过查阅文献,综述了国内外变形高温合金及热加工技术发展现状、液体火箭发动机热端构件对高温合金性能需求、变形高温合金在国内外著名液体火箭发动机中的应用情况。结合液体火箭发动机可回收、高性能、轻量化、低成本的发展趋势,总结了变形高温合金在液体火箭发动机领域的主要发展趋势,包括研发针对液体火箭发动机服役工况的高温合金材料、改进热加工工艺,从而提升高温合金性能、降低高温合金构件制造成本;研发和推广耐高温轻质金属间化合物、降低热端构件质量。

重复使用液体火箭发动机用材料及工艺研究进展

系统梳理了国外几种典型的可重复使用液体火箭发动机用材料及工艺情况,着重介绍了氢氧火箭发动机、液氧/煤油火箭发动机、液氧/甲烷发动机等可重复使用液体火箭发动机的推力室、涡轮泵、喷管等关键构件材料选用及成型工艺情况。分析各种液体火箭发动机性能需求及结构特点,探究关键材料及工艺技术发展趋势,对比国内可重复使用液体火箭发动机材料及工艺研究现状,为后续可重复使用液体火箭发动机材料及工艺技术发展方向提供思路。

液体火箭发动机智能故障诊断的研究现状

综述了液体火箭发动机的故障模式,总结了液体火箭发动机故障诊断技术的最新成果,包括基于物理模型、信号分析和人工智能的故障诊断方法;将不同故障诊断方法的应用进展及其诊断效果进行了对比分析;并对液体火箭发动机故障诊断方法的发展趋势进行了展望。

可重复使用液体火箭发动机寿命问题探讨

可重复使用火箭发动机与一次性发动机的核心区别在于其对发动机的使用寿命提出了更高的要求,面向未来航班化航天运输系统的发展目标,寿命问题愈加重要,亟待突破发动机关键部组件的寿命评估难题。综述了寿命问题的研究进展,分析了推力室、涡轮、管路、密封结构等部组件的失效机理与寿命评估方法,总结并展望了相关研究的重点与方向,为可重复使用液体火箭发动机的研制奠定基础。

Wasserstein距离在液体火箭发动机故障检测中的应用

健康监控技术能够切实提高液体火箭发动机的可靠性,针对液体火箭发动机健康监控中的故障检测问题,提出基于Wasserstein距离的方法,利用液氢液氧火箭发动机地面热试车数据进行验证。该方法的核心思想是利用Wasserstein生成对抗网络模拟正常数据的样本分布,利用其判别器计算测试样本与模拟分布间的Wasserstein距离,进而实现故障检测。结果表明:该方法能够克服故障数据不足的困难,有效检测稳态过程中的故障,没有发生误报警,且对早期异常有较高敏感性;在训练样本较少的情况下,当Wasserstein距离阈值为3σ时对启动过程的早期异常有较高敏感性,取5σ时仍可有效检测启动过程中的故障,误报警率为12.5%。

液体火箭发动机振动试验数字化设计与分析发展综述

液体火箭发动机稳态工作过程中受到发生器和燃烧室振荡燃烧、涡轮泵周期性旋转激励等多源载荷共同作用,发动机振动量级大。力学环境试验是考核发动机振动环境下承载结构完整性和功能部件可靠性的主要途径。近十年间,液体火箭发动机振动试验数字化设计与分析领域经历了从零起步到蓬勃发展的过程,提高了液体火箭发动机振动试验的分析效率与分析深度,促进了我国液体火箭发动机基础理论研究的快速发展。

液体火箭发动机异构CAD三维模型装配技术分析与应用

针对某新型液体火箭发动机三维模型装配技术应用现状,不同三维建模工具之间数据格式互不兼容,不能相互调用,以及在产品数据管理系统中,异构CAD三维模型装配无法自动生成产品BOM结构,装配信息无法跨软件进行传递。对Pro/E与NX三维模型相互调用、异构三维模型装配、产品BOM结构自动生成、更改同步等问题进行了研究,采取轻量化模型JT和中间格式进行装配实现异构CAD三维模型的装配和管理,采用轻量化模型JT装配方法,既可以保证JT与三维模型的一致性,也可以实现装配BOM结构的自动生成和更新。采用STEP中间格式进行装配,解决了产品数据管理系统中对轻量化模型转换控制,降低了CAD集成环境下异构三维模型的装配要求,确保了STEP文件与三维模型的一致性,实现了异构CAD三维模型在统一环境下BOM结构的自动更新和发动机技术状态的管控。

变推力液体火箭发动机研究进展

液体火箭发动机通过将液体推进剂化学能转化为动能,作用在发动机上产生推力,是大型运载器的助推级、一级、二级、上面级及各类空间飞行器常用的动力装置。近年来,随着航天技术的发展,空间探索与空间战略资源竞争更加激烈,2022年全球航天发射次数创新高。值得注意的是,仅美国太空探索技术(SpaceX)公司就执行了61次发射,发射次数接近我国火箭发射总次数,“灰背隼”(Merlin)系列发动机再次受到关注;同时,国际航天界也迎来了深空探测成果井喷期,大范围变推力发动机技术作为探测器月面软着陆主要技术支撑,引发了新一轮变推力液体火箭发动机技术研究热潮。

液体火箭发动机热过程仿真技术发展概述

液体火箭发动机热过程基础研究是探索液体火箭发动机工作时所发生的流动、传热及燃烧等过程的基本规律,其研究内容涉及液体推进剂喷雾燃烧过程,工质与结构间复杂传热过程,液体推进剂物理化学特性、流体流动等。液体推进剂雾化、蒸发、燃烧和传热仿真技术是液体火箭发动机研究设计的理论基础,其与试验研究相辅相成,在正确分析与评估发动机工作性能、减少研制经费和研制周期、防范试验危险等方面发挥着重要作用,有力支撑了液体火箭发动机的研制工作。