高 歡，張 駿，竇冰冰，智永鋒

（西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129）

航天器在軌加注始于20世紀(jì)60年代，指通過航天飛機(jī)、飛船等服務(wù)航天器對(duì)在軌運(yùn)行航天器的推進(jìn)劑等耗費(fèi)品進(jìn)行在軌補(bǔ)給。目標(biāo)航天器通過被加注可提高軌道機(jī)動(dòng)能力，增強(qiáng)執(zhí)行任務(wù)的靈活性，延長(zhǎng)在軌壽命，該技術(shù)成為了航天大國相繼進(jìn)行研究的對(duì)象。在我國，目前在軌加注還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，為了確保加注系統(tǒng)的安全性，特別是對(duì)于加注過程中的未能預(yù)料的偶發(fā)性故障，需要在地面進(jìn)行故障模擬、分析，以設(shè)計(jì)在軌加注故障診斷系統(tǒng)，確定合理可行的維修方案，甚至需要針對(duì)具體故障維修任務(wù)開發(fā)相應(yīng)的軟、硬件設(shè)備。為此進(jìn)行系統(tǒng)建模與故障仿真具有重大意義[1]。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷科采用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[2]實(shí)現(xiàn)了預(yù)警專家系統(tǒng)在航天器規(guī)避過程中的應(yīng)用。同時(shí)在專家系統(tǒng)中規(guī)則匹配可通過模糊Petri網(wǎng)實(shí)現(xiàn)[3]。目前，針對(duì)于在軌加注故障仿真的研究相對(duì)較少，且只針對(duì)某一器件，為在軌加注系統(tǒng)建模與故障仿真提供了研究空間與價(jià)值。文章通過對(duì)模擬加注系統(tǒng)的建模，對(duì)系統(tǒng)中各傳感器參數(shù)的提取，對(duì)不同故障征兆的參數(shù)信息進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)的故障的不同征兆以實(shí)現(xiàn)故障診斷。

1 在軌加注系統(tǒng)模型

在軌加注作為在軌服務(wù)的任務(wù)之一已具有50多年的歷史，是實(shí)現(xiàn)航天器氣、液等耗費(fèi)品在軌補(bǔ)給的關(guān)鍵技術(shù)。由于空間環(huán)境的特殊性，提升了在軌加注系統(tǒng)的難度。美蘇等航天大國這一技術(shù)已日趨成熟，我國在軌加注研究還處于起步階段，主要采用的方式為燃料直接傳輸加注式[4]。

本文采用魏延明等提出的一種基于表面張力貯箱的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)在軌加注方案，該方案屬于雙組元統(tǒng)一推進(jìn)排氣式補(bǔ)給方案中的一種，適合大多數(shù)航天器的在軌加注，該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：與現(xiàn)有衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)相匹配，改動(dòng)量最少；沒有使用任何活動(dòng)部件，提高了系統(tǒng)的可靠性；產(chǎn)生的熱量比倍壓式要少，便于縮短加注時(shí)間，提高加注的可靠性和安全性。依據(jù)這一方案對(duì)空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)在軌補(bǔ)給系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)[5]。通過仿真得到各參考點(diǎn)傳感器參數(shù)變化，進(jìn)而確定各故障征兆的故障概率，為模糊Petri網(wǎng)專家系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)搭建提供數(shù)據(jù)來源[6]。加注模型原理圖如下：

圖1 加注系統(tǒng)原理圖Fig.1 System principle diagram of the filling system

其加注系統(tǒng)分為NTO子系統(tǒng)和N2H4子系統(tǒng)，包括管路以及多個(gè)閥門、傳感器以及過濾裝置。直接傳輸加注方式的難點(diǎn)在于對(duì)貯箱設(shè)計(jì)、加注密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求很高，且需要較高的可靠性設(shè)計(jì)。該加注方式的主要原理為：

1）氣體補(bǔ)給

提供推進(jìn)劑加注所需壓力，主要通過增壓氣瓶提供增壓氣體，關(guān)閉目標(biāo)航天器側(cè)的減壓模塊，打開手動(dòng)截止閥3，進(jìn)行恒壓源的高壓氣體補(bǔ)給。補(bǔ)給完畢后，待目標(biāo)貯箱壓強(qiáng)達(dá)到要求時(shí)，關(guān)閉截止閥，完成氣體補(bǔ)給。

2）推進(jìn)劑補(bǔ)給

在完成航天器對(duì)接后，目標(biāo)航天器貯箱排氣，利用目標(biāo)航天器與補(bǔ)給航天器之間的壓差，打開補(bǔ)給側(cè)的加注管路手動(dòng)截止閥5，將補(bǔ)給航天器貯箱中的推進(jìn)劑通過管路對(duì)目標(biāo)航天器實(shí)行加注任務(wù)。由于補(bǔ)給側(cè)需要恒壓，因此對(duì)其進(jìn)行增壓進(jìn)行燃料補(bǔ)給。

2 故障仿真原理

在加注系統(tǒng)中，易產(chǎn)生的故障為堵塞和泄漏故障。堵塞故障以管道為主，泄漏可通過加載同一類型的液壓缸進(jìn)行仿真。

1）管道模型

管道總阻力損失為：

Pf為管段沿程阻力損失，Pj為各處局部壓力損失。

管道液體燃料流速與管道參數(shù)間關(guān)系如下：

其中l(wèi)、d分別表示管道長(zhǎng)度與管徑，λ表示沿程阻力因素，γ表示燃料介質(zhì)重度，v表示管道截面流速。該模型可用來模擬管道堵塞，即減小管道流體通過面積。

堵塞時(shí)，由公式（4）得d減小使得管道沿程壓降增大，穩(wěn)定時(shí)間增大。同時(shí)由流速公式（5）知管道出口流速低于入口流速。進(jìn)而引起局部壓力損失，因此堵塞狀態(tài)下加注系統(tǒng)參考點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)。

2）液壓缸模型

其中Vf、Vc分別表示燃料室中流體體積以及幾何體積，E為液體燃料體積模量，El代表純液體燃料體積彈性模量，pa為氣壓值，VG、VL分別代表參考?xì)鈮合碌臍怏w及液體體積。

在發(fā)生泄漏故障時(shí)，流體通道增加，同時(shí)由于恒流源單位時(shí)間流速恒定，因此泄漏管道處液體燃料流速降低。

3 加注系統(tǒng)建模

本文采用Matlab在2007年開發(fā)的SimHydraulic模型庫進(jìn)行Simulink仿真，前人利用SimHydraulic對(duì)機(jī)構(gòu)液壓仿真、流體管網(wǎng)以及給排水進(jìn)行仿真，并取得很多成果。文章針對(duì)加注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)，分為氣體補(bǔ)給與推進(jìn)劑補(bǔ)給。分別對(duì)氣路和液路系統(tǒng)進(jìn)行建模并得到在堵塞和泄漏情況下的系統(tǒng)參數(shù)變化曲線。

3.1 氣路系統(tǒng)建模

1）氣源模塊

在加注開始時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高壓氣體補(bǔ)給，因此需要提供恒壓氣源。選擇SimHydraulic模型庫中的Hydraulic Pressure Source搭建恒壓氣源，通過Constant中的數(shù)據(jù)對(duì)恒壓氣源的大小進(jìn)行設(shè)定。

2）控制模塊

氣路系統(tǒng)中主要控制模塊包括減壓器和氣動(dòng)球閥。

當(dāng)減壓器（Pressure Relief Valve）閥門入口處壓強(qiáng)小于設(shè)定壓強(qiáng)時(shí)，閥門保持關(guān)閉，當(dāng)達(dá)到閥門預(yù)設(shè)壓強(qiáng)值時(shí)，閥門控制機(jī)構(gòu)強(qiáng)制偏離產(chǎn)生通道，使得液體從孔徑流出，在內(nèi)部產(chǎn)生壓降，達(dá)到維持壓強(qiáng)在合理工作范圍內(nèi)的目的。主要設(shè)定參數(shù)有：最大流通面積、閥門設(shè)定壓強(qiáng)、閥門調(diào)整范圍以及液體損失率。通過對(duì)減壓器的標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)以及壓強(qiáng)范圍的設(shè)定，使得作用在推進(jìn)劑貯箱內(nèi)的壓強(qiáng)維持恒定。

氣動(dòng)球閥（Ball Valve）的作用是控制加注氣路的通斷，控制加注進(jìn)程，流速與孔徑開度及球閥壓差成比例。過濾器是為了過濾氣源中的固體雜質(zhì)，避免進(jìn)入推進(jìn)劑貯箱引起故障，過濾器主要在氣路中起到類似液阻的作用，因此用模型庫中的Local Resistance進(jìn)行模擬，該模塊還可進(jìn)行彎管以及配件等的模擬。

3.2 液路系統(tǒng)建模

由于兩種液路結(jié)構(gòu)相同，僅對(duì)單一NTO液路進(jìn)行建模分析。

1）液源模塊

液源模塊采用模型庫中的Hydraulic Constant Flow Rate Source進(jìn)行仿真。該恒流源代表在外界壓力變化的前提下，依舊可以提供恒定流速的液體，液體流速可通過模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2）控制模塊

同液路系統(tǒng)相似，控制模塊包括氣動(dòng)球閥，管道以及傳感器。在仿真過程中，氣動(dòng)球閥的外接信號(hào)設(shè)為階躍信號(hào)。管道采用模型庫中Hydraulic Pipeline仿真，該模塊可仿真圓形或非圓形界面管道，可用來描述管道的摩擦阻力對(duì)液體參數(shù)的影響。

4 故障仿真

目前我國的有人在軌服務(wù)還處于研究階段，隨著載人航天的發(fā)展，使得我國的宇航員在軌時(shí)間不斷延長(zhǎng)，為未來在軌服務(wù)提供了重大的生命保障技術(shù)。由于系統(tǒng)要求高安全性，推進(jìn)劑的泄漏以及管道的堵塞是最常見以及危險(xiǎn)的，一旦發(fā)生將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)以及優(yōu)秀人才的損失，因此盡可能的還原加注過程，并對(duì)其進(jìn)行常見的故障仿真是十分必要的。結(jié)合上文得出的加注系統(tǒng)模型，分別對(duì)堵塞和泄漏故障進(jìn)行仿真。

4.1 堵塞故障仿真

堵塞可通過改變管道的pipe internal diameter（管道內(nèi)徑）參數(shù)進(jìn)行仿真，內(nèi)徑越小，表明堵塞情況愈嚴(yán)重。假設(shè)內(nèi)徑參數(shù)為b2>b1>b3，b3=0.03 m為正常管道內(nèi)徑，b3=0.02 m為輕微堵塞，b3=0.01 m為嚴(yán)重堵塞。得到Local_B、Local_C兩點(diǎn)在堵塞時(shí)壓強(qiáng)變化相同，具體3種情況下的Local_A、Local_B、Local_C三點(diǎn)的壓強(qiáng)、流量變化曲線如下：

圖2 堵塞狀態(tài)下Local_A點(diǎn)壓強(qiáng)變化Fig.2 Pressure change of Local_A in the blocked state

圖3 堵塞狀態(tài)下Local_B點(diǎn)壓強(qiáng)變化Fig.3 Pressure change of Local_B in the blocked state

圖4 堵塞狀態(tài)下Local_C點(diǎn)流量變化Fig.4 Flow change of Local_C in the blocked state

由圖可知，在輕微堵塞的情況下，Local_A、Local_B點(diǎn)初始?jí)簭?qiáng)減小，Local_A點(diǎn)穩(wěn)定壓強(qiáng)變小，Local_B點(diǎn)最終壓強(qiáng)與恒壓氣源壓強(qiáng)相等。在嚴(yán)重堵塞的情況下，Local_A、Local_B點(diǎn)壓強(qiáng)小與恒壓氣源壓強(qiáng)，且Local_A點(diǎn)壓強(qiáng)在嚴(yán)重堵塞狀態(tài)下呈現(xiàn)凹點(diǎn)。Local_B點(diǎn)在堵塞情況下穩(wěn)定時(shí)間逐漸減小，最終在嚴(yán)重堵塞下為零。在管道堵塞時(shí)，位于燃料缸后的管道入口處Local_C點(diǎn)流量會(huì)因?yàn)槎氯黾?，出口Local_D處則相反。

4.2 泄漏故障仿真

泄漏故障可通過在液路系統(tǒng)中加入一個(gè)液壓室（Constant Volume Hydraulic Chamber）進(jìn)行模擬。

1）經(jīng)過氣路仿真得到泄漏情況下系統(tǒng)Local_A、Local_B、Local_C三點(diǎn)處的壓強(qiáng)變化如圖5~6示。

圖5 泄漏時(shí)Local_A點(diǎn)壓強(qiáng)變化Fig.5 Pressure change of Local_A in the leaking state

圖6 泄漏時(shí)C點(diǎn)壓強(qiáng)變化Fig.6 Pressure change of Local_Cin the leaking state

Local_B點(diǎn)壓強(qiáng)變化與Local_C點(diǎn)相同。

2）泄漏時(shí)液路仿真得到泄漏情況下系統(tǒng)Local_C、Local_D兩點(diǎn)處的流量變化如圖7~8示。

圖7 泄漏狀態(tài)下Local_C流量變化Fig.7 Flow change of Local_Cin the leaking state

圖8 泄漏狀態(tài)下Local_D點(diǎn)流量變化Fig.8 Flow change of Local_D in the leaking state

經(jīng)過對(duì)模型公式分析可知，正常情況下，Local_B、Local_C點(diǎn)由于過濾器產(chǎn)生的壓差，在t=0時(shí)刻PB=PC

5 故障分析

經(jīng)過加注系統(tǒng)建模以及故障模式仿真得到堵塞和泄漏故障征兆集見表1，括號(hào)內(nèi)代表壓強(qiáng)以及流量變化，單位分別104Pa為以及10-4m3/s

表1 各故障狀態(tài)下壓強(qiáng)以及流量變化趨勢(shì)Tab.1 Pressure and flow change of each fault condition

除了穩(wěn)定狀態(tài)下下壓強(qiáng)以及流量的變化，另一個(gè)故障診斷參數(shù)為系統(tǒng)參考點(diǎn)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)下的時(shí)間變化，具體變化趨勢(shì)如表2所示。

表2 各故障狀態(tài)下壓強(qiáng)以及流量穩(wěn)定時(shí)間變化趨勢(shì)Tab.2 Pressure and flow stability time of each fault condition

綜上所述，在系統(tǒng)輕微堵塞狀態(tài)下，核心參考點(diǎn)為qC、PA，qC出現(xiàn)增大時(shí)，系統(tǒng)為堵塞狀態(tài)，此時(shí)若PA數(shù)據(jù)下降幅度較小，即為輕度堵塞反之即為重度；在重度堵塞狀態(tài)下核心參考點(diǎn)為，若Local_B點(diǎn)壓強(qiáng)下降且Local_A點(diǎn)壓強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間明顯增大，即為重度堵塞；泄漏狀態(tài)下以Local_C、Local_D兩點(diǎn)流量為核心，均減小即為泄漏狀態(tài)，并以Local_A、Local_B、Local_C三點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間為參考，若該三點(diǎn)壓強(qiáng)穩(wěn)定時(shí)間均增大即為泄漏。

6 結(jié) 論

文章針對(duì)在軌加注采用Matlab中的Simhydraulic模型庫對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并結(jié)合模塊參數(shù)，實(shí)現(xiàn)常見故障的仿真，對(duì)實(shí)際研究具有參考價(jià)值。通過仿真可得加注過程中堵塞以及泄漏狀態(tài)下的核心征兆，并實(shí)現(xiàn)常見故障狀態(tài)下加注系統(tǒng)參數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)深入在軌加注理論研究以及實(shí)際試驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)，通過得到的常見故障狀態(tài)核心征兆，為基于模糊Petri網(wǎng)模型的故障診斷專家系統(tǒng)的建立提供了推理依據(jù)。

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