薛 薇，武小平，胡 慧，孫 浩

(北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

近幾年，隨著航天裝備復雜化、集成化水平的提高，液氧甲烷發(fā)動機的商業(yè)價值也具有明顯的優(yōu)勢。液氧甲烷發(fā)動機兼顧兼具氫氧發(fā)動機和液氧煤油發(fā)動機的綜合優(yōu)點，具有密度比沖高、無毒環(huán)保、富燃燃燒積碳少、易于多次起動和重復使用、經濟性好等特點，是火箭助推級、一子級、上面級和空間飛行器可供選擇的動力之一。針對這種重復使用的發(fā)動機故障建模仿真分析是其中一個關鍵環(huán)節(jié)。在預言階段發(fā)動機各個組件沒有生產出來，基本沒有試車數據的情況下，需要開展故障建模仿真工作，以此獲得故障樣本數據、掌握發(fā)動機故障模式和故障效應。彌補和豐富發(fā)動機的故障樣本，為進一步開展發(fā)動機故障診斷方法研究奠定基礎。

隨著計算機仿真技術的發(fā)展，國內外在此方面開展了大量的研究。Rockwell公司針對SSME開發(fā)了功率平衡模型［1］，NASA針對該模型進行了修改，針對多種工況建立了相應的線性化模型［2］。劉昆、程謀森等［3-4］針對分級燃燒循環(huán)液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)，建立了管路系統(tǒng)的網絡模型和有限元模型、渦輪泵流體動力學模型和燃燒室分區(qū)模型等，并進行了仿真研究。NASA Ames中心和噴氣推進實驗室，開發(fā)出Livingstone模型［56］，該模型包含了系統(tǒng)組件連接模型、轉換模型和行為模型三類型，同時還有一個狀態(tài)管理系統(tǒng)，在不同的使用情況下能夠給出最優(yōu)計算結果。此后，又在Livingstone的基礎上開發(fā)了 Livingstone2［7］。文獻 ［8］ 研發(fā)了一套模型，在不同的使用過程中可以分別針對部件和系統(tǒng)進行仿真分析。黃敏超［9］針對液體火箭發(fā)動機不同部位的故障情況開展了各個組件的故障建模仿真分析。劉冰［10］建立了某大型液體火箭發(fā)動機的數學模型，對氧化劑渦輪入口燃氣泄漏等故障形式進行了仿真分析。

然而，上述這些模型的開發(fā)與應用沒有充分考慮各類型故障添加的方式與可視化界面的結合。本文基于Modelica語言對模型進行開發(fā)和完善，可模擬20余種發(fā)動機常見故障，具有很強的適用性和拓展性，未來可以廣泛應用于現役型號和新研發(fā)動機，該模型基于Mworks軟件平臺開發(fā)，其主要亮點有:1)對比MATLAB模型，Mworks模型支持了發(fā)動機系統(tǒng)圖形化、模塊化的建模功能，對比Amesim模型，Mworks模型具有很好的開放性、擴展性;2)發(fā)動機主要部件均設置為故障模式和無故障模式，通過組件下拉對話框可選擇。在無故障情況下該模型是發(fā)動機全工況的動態(tài)模型;3)靈活多樣、方便快捷的故障注入方式，可很好的實現量化故障模式的動態(tài)注入。

本文從可視化的角度提出了發(fā)動機故障建模，首先分析某型液氧甲烷發(fā)動機的結構組成、工作過程和故障模式，提出了基于添加故障因子的方式完成發(fā)動機各個組件的故障數學公式的編寫，并建立了發(fā)動機模塊化故障庫和故障仿真方法;其次，采用了一種基于圖形化的建模軟件搭建了故障仿真系統(tǒng);最后，基于可視化平臺的軟件系統(tǒng)進行了發(fā)動機幾大核心部件的故障仿真分析。結果表明采用的可視化軟件具有很高的效率;采用的故障添加方式能夠從一定程度上模擬出發(fā)動機系統(tǒng)工作過程的故障特性，為下一步的故障診斷工作奠定了堅實的基礎。

1 可視化圖形建模平臺

液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)是集流體、傳動、控制于一體的復雜系統(tǒng)，在運行過程中存在系統(tǒng)的開啟、調節(jié)等過程，具有復雜的非線性、強耦合特性。所建立的發(fā)動機組件模型要求具有較好的通用性，可以在多個系統(tǒng)中得到應用，并且可以對組件模型進行適當的擴展。針對上述關鍵技術的分析，本文采用基于Modelica語言的多領域統(tǒng)一建模方式，它是一種非因果的、多領域統(tǒng)一的、連續(xù)離散的建模方式。通過非因果的建模方式，可以減少開發(fā)者對強非線性方程的推導工作;通過多領域統(tǒng)一的方式，可以極為方便的實現系統(tǒng)和分系統(tǒng)模型之間的集成，實現不同專業(yè)模型的關聯和集成;通過連續(xù)離散的建模方式，可以很好的實現系統(tǒng)運行階段方程形式的切換和邊界條件的注入。

基于上述構建的總體框架，結合外部的輸入輸出要求，定義系統(tǒng)的總體運行流程如圖1所示。首先根據發(fā)動機的特點及工作方式建立出各個組件的數學方程，此后在仿真平臺上搭建出需要的部件模塊，并定義好各個組件之間的輸入輸出關系，最后基于發(fā)動機的組件搭建出發(fā)動機整機系統(tǒng)。

圖1 基于MWorks平臺的建?？傮w思路

2 液氧甲烷發(fā)動機

本文研究的發(fā)動機是以液氧、甲烷為推進劑，采用燃氣發(fā)生器循環(huán)，系統(tǒng)結構簡圖如圖2所示。

圖2 液氧甲烷發(fā)動機系統(tǒng)原理圖

發(fā)動機工作時，來自甲烷貯箱的液甲烷經甲烷泵前閥進入甲烷泵，升壓后的液甲烷一小部分進入發(fā)生器與液氧燃燒，其余大部分通過推力室甲烷閥后分別進入上下集合器冷卻推力室身部和噴管上段，冷卻后兩股氣甲烷經過高壓預混器匯合后注入推力室甲烷噴注器與氧混合燃燒，產生所需要的大部分推力。從燃氣發(fā)生器出來的燃氣分為兩路，分別驅動甲烷渦輪和氧渦輪，做功后的燃氣從渦輪出口排出，產生小部分的推力。該液氧甲烷發(fā)動機具有推力與混合比調節(jié)能力。

2.1 常見故障分類

液體火箭發(fā)動機是極其復雜的流體機械系統(tǒng)，由管路、閥門、渦輪泵、燃燒室、控制系統(tǒng)等組成，這些組件又由很多的零部件組成。當其中任何一個零部件發(fā)生故障后發(fā)動機故障效應都會以某種方式在發(fā)動機的熱力參數中表現出來。在研制初期需要對各個組件進行故障預想并進行建模仿真分析，以此來展現發(fā)動機故障時性能參數的變化情況。

發(fā)動機各個部件的典型故障模式以及故障表現形式如表1所示。

2.2 發(fā)動機各個組件建模

基于液氧甲烷火箭發(fā)動機的工作特點及輸入輸出的要求建立出各個組件的表達方式，并定義好各個組件之間的接口關系，各個組件的建模說明如下:

自2013年起，公司核心業(yè)務之一是家政管理系統(tǒng)的研發(fā)。2014年底，第一代管理系統(tǒng)開始投入使用，這在很大程度上提高了家政服務管理效能，為公司積累了大量的業(yè)務數據。到2016年下半年，自然正家上線了第一代線上交易入口——微信客戶端，經過一段時間的線下大力推廣，公司平臺取得了日均十幾單的交易量，但是在業(yè)務蓬勃發(fā)展的背后，卻也暴露出了一些問題。如線上客戶和線下客戶競爭“白熱化”；線上客戶分布廣，不確定性強，如何科學派工，平臺缺乏數據支持等一系列的問題。

2.2.1 渦輪泵

渦輪泵模型包含了泵模型、轉子模型、渦輪模型。本項目中泵屬于離心泵，泵模型采用水利特性曲線，可以準確的計算出發(fā)動機在所有可能工作條件下的揚程和流量。渦輪采用燃氣驅動，屬于氣渦輪，渦輪模型中考慮了渦輪的流量、功率、效率、出口溫度等因素。每個模型都可以根據需要進行故障的添加，并且這些故障注入的時間可以修改。

2.2.2 推力室

推力室模型包含了燃燒室、噴注器、冷卻夾套和噴管模型。燃燒室室發(fā)動機的核心部件，采用燃燒時滯模型，可以計算燃燒室的壓力、溫度、混合比等參數。噴注器計算噴注壓降。冷卻夾套模型進行了簡化采用集中換熱的形式，可以計算流阻特性。噴管模型計算噴管的推力、比沖等參數。每個模型均可根據需要進行故障的添加。

表1 發(fā)動機各個部件故障模式

2.2.3 管道

管道模型包括了簡單液體管道、簡單氣體管道和簡單液體充填管道，簡單液體管道計算了管道的流阻特性和了雷諾數。簡單氣體管道計算了氣體管道的流阻特性。簡單液體充填管道計算了管道的流阻特性和充填時間。每個模型都可以根據需要實現故障的添加。

為了提高模型的重用度和建模效率，介質模型采用調用外部函數的方法，集成NIST標準數據庫計算液氧甲烷的模型，并采用Modelica語言的可替換的方式，實現不同的組件根據需要選擇相應的介質進行仿真。

2.3 含有故障因子的故障模型

故障建模過程中最為重要的一個環(huán)節(jié)就是故障因子的添加過程，在此過程中需要充分考慮到發(fā)動機各個組件的數學表達式與實際工作的匹配性能。故障添加一般可分為兩種:一種是原有的部件數學模型已不能表征故障部件，需要另外增加專門的故障方程;另一種是部件數學模型的形式不變，更改模型參數，可將模型參數乘以一定的系數 (稱為故障因子)，以表征發(fā)動機部件所產生的故障影響。通過修改故障因子的大小，可以模擬發(fā)動機部件故障發(fā)生的程度。本文采用后者進行故障建模。這樣當發(fā)動機某個部件發(fā)生變化時，只需修改該部件模型，也不會影響到其它部分。這里以燃氣渦輪故障為例進行說明［11-12］。

燃氣渦輪的功率方程為:

燃氣渦輪的功率平衡方程為:

其中:Np為泵功率;J為轉動慣量;Ft1，Ft2，Ft3分別為故障因子。

表2 發(fā)動機故障因子及故障類型表征

3 故障模型仿真

3.1 系統(tǒng)仿真

根據前面章節(jié)的內容，本節(jié)構建了發(fā)動機故障模型，該模型包含了發(fā)動機的各個部件及介質的特性參數。所涉及到的發(fā)動機部件特性均是通過試驗得到的，因此，不論在理論分析還是工程應用上均有一定的意義。該模型不僅可以進行全工況無任何故障的仿真計算，同時可以進行故障的添加，其添加方式也很人性化，圖3所示為搭建的發(fā)動機系統(tǒng)仿真模塊。圖4所示為在Mworks平臺下開展故障仿真的演示界面。

圖3 基于MWorks平臺搭建的發(fā)動機模型

圖4 可視化發(fā)動機故障仿真界面演示

3.2 仿真結果

1)無故障情況下的仿真。發(fā)動機從啟動到關機仿真分析，重點關注的測量參數:推力室室壓、燃氣發(fā)生器室壓、甲烷渦輪泵轉速、氧渦輪泵轉速。經過上述的仿真得到歸一化的曲線，如圖5所示。由圖可見在無故障情況下發(fā)動機各個關鍵參數的變化情況符合發(fā)動機的實際工作情況，由此可得發(fā)動機系統(tǒng)模型在工程應用上具有一定的價值。

圖5 發(fā)動機全工況關鍵參數的歸一化曲線

2)故障模式下的仿真分析。針對表2中的前兩種故障類型分別進行仿真，分析結果如下。

(1)0≤Ft1≤1，甲烷渦輪轉子破壞;葉片燒蝕;流道堵塞等故障。

在第4秒的時候將故障因子加入，值取為0.5，發(fā)動機關鍵參數變化曲線如圖6所示。在加入故障因子后，最先發(fā)生變化的參數是甲烷渦輪轉速，同時推力室室壓和燃氣發(fā)生器室壓發(fā)生了變化，最后是氧渦輪的轉速發(fā)生變化。當發(fā)生這類型故障時，相當于甲烷渦輪的功率降低，而在不變的負載情況下，甲烷渦輪的做功能力降低，因此發(fā)動機的關鍵參數均會下降，由于整體做工能力的降低，氧渦輪泵轉速也會下降，但是比甲烷渦輪泵要慢一些。

(2)Ft2≥0，渦輪軸承卡死;轉子卡住。

圖6 發(fā)動機全工況關鍵參數的歸一化曲線

在第4秒的時候將故障因子加入，值取為0.5，發(fā)動機關鍵參數變化曲線如圖7所示。在加入故障因子后，最先發(fā)生變化的參數是甲烷渦輪轉速，同時推力室室壓和燃氣發(fā)生器室壓發(fā)生了變化，最后是氧渦輪的轉速發(fā)生變化。當發(fā)生這類型故障時，甲烷泵的實際需求功率增加，而在甲烷渦輪輸出功率一定的情況下，發(fā)動機整體性能均會下降，通過對比可見氧渦輪泵轉速下降的比甲烷渦輪泵要慢一些，下降的程度也會小一些。

圖7 發(fā)動機全工況關鍵參數的歸一化曲線

4 結論

液體火箭發(fā)動機故障仿真時研究發(fā)動機故障診斷技術的重要基礎。本文基于可視化環(huán)境構建了液氧甲烷發(fā)動機故障建模方法，首先分析發(fā)動機的工作過程和故障模式，提出了添加故障因子的方式構建各個組件的數學公式;其次，采用了一種基于圖形化的建模軟件搭建了故障仿真系統(tǒng)，該平臺具有用于發(fā)動機故障仿真的動態(tài)組件庫，并可以構建多型液體火箭發(fā)動機的故障仿真模型，可以為發(fā)動機的故障診斷技術提供豐富的仿真數據和故障樣本，幫助提取發(fā)動機的故障特征;最后，基于該平臺系統(tǒng)進行了發(fā)動機的故障仿真分析。結果表明基于可視化建模平臺所構建的發(fā)動機故障模型系統(tǒng)能夠滿足需求并且界面人性化，易于操作。為后續(xù)故障診斷工作奠定了堅實的基礎。