石業(yè)輝，程玉強(qiáng)，高玉閃，鄧凌志

（1.國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器的安全問(wèn)題就顯得尤為重要，航天器潛在的安全隱患是實(shí)際應(yīng)用面臨的最大挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)是液體火箭飛行動(dòng)力的核心，其不僅結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且工作條件極其惡劣，包括高溫、高壓、高頻振蕩等［1］。在這種情況下，任何微小的異常都可能迅速發(fā)展成具有極大破壞性的故障［2］，導(dǎo)致發(fā)射失敗，并造成巨大的損失。對(duì)于大多數(shù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于成本、性能的限制以及特殊失效試驗(yàn)［3］的危險(xiǎn)性，可用于故障模式和故障響應(yīng)分析的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少。因此，考慮到液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，且測(cè)試數(shù)據(jù)和故障樣本不足，導(dǎo)致無(wú)法覆蓋所有故障模式［4］，迫切需要設(shè)計(jì)更加高效的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試方法。

對(duì)于所有的仿真測(cè)試方法，主要的挑戰(zhàn)是確保仿真可信度［5］，即讓人相信仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣真實(shí)。仿真可信度（與真實(shí)系統(tǒng)相比）主要由2 方面決定：平臺(tái)可信度和模型可信度［6］。平臺(tái)的可信性可以進(jìn)一步分為硬件可靠性和軟件可靠性。標(biāo)準(zhǔn)的仿真設(shè)備可以保證硬件的可靠性［7］，然而軟件可信度和模型可信度仍然是仿真測(cè)試方法的挑戰(zhàn)?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)（Model-Based Design，MBD）［8］方法采用模塊化可視化編程技術(shù)［9］和代碼自動(dòng)生成技術(shù)對(duì)復(fù)雜的建模、開發(fā)和測(cè)試程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化［10］，是解決軟件可信度和模型可信度問(wèn)題的有效手段。該方法消除了人工編程疏忽和開發(fā)過(guò)程不規(guī)范等干擾因素，保證了軟件的可信度。

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真［11］是在虛擬環(huán)境［12］中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)整機(jī)、部件或系統(tǒng)的高精度、高保真度的多學(xué)科耦合數(shù)值仿真。實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)將這些數(shù)值仿真與物理模型結(jié)合起來(lái)進(jìn)行聯(lián)合仿真［13］。近年來(lái)，提出了許多測(cè)試方法來(lái)全面測(cè)試液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性。單勇［14］對(duì)于半實(shí)物仿真平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為后續(xù)研制實(shí)時(shí)性好、可滿足未來(lái)各種大型復(fù)雜系統(tǒng)要求的新一代實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)打下基礎(chǔ)。趙萬(wàn)里等［15］采用快速成型方法構(gòu)建了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。薛薇等［16］搭建了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了改進(jìn)的ARMA 算法。高精度建模和系統(tǒng)識(shí)別方法［17］正成為航天領(lǐng)域的趨勢(shì)，不僅提高了整個(gè)模型的開發(fā)效率和準(zhǔn)確性，而且使得仿真結(jié)果的驗(yàn)證過(guò)程非常直觀，大幅縮短了整個(gè)開發(fā)周期［18］。

本文以某大型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，為獲得足量故障樣本數(shù)據(jù)，搭建了數(shù)字化仿真平臺(tái)，主要研究?jī)?nèi)容包括：①模塊化建模方法。由于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其工作過(guò)程又包括了復(fù)雜的燃?xì)饬鲃?dòng)、軸承等的高速旋轉(zhuǎn)、燃燒過(guò)程等。因此，直接建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型難度較大?；诖?，采用模塊化建模思想，將發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)看作是由不同模塊聯(lián)結(jié)起來(lái)的復(fù)雜系統(tǒng)。② 實(shí)時(shí)數(shù)字化仿真平臺(tái)。搭建了實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，并詳細(xì)說(shuō)明了該平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成以及開發(fā)流程。③實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)測(cè)試。對(duì)于該實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性以及數(shù)值方法的實(shí)時(shí)性影響進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)故障仿真測(cè)試。

1 模塊化建模方法

1.1 建立仿真模型

針對(duì)某大型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型。該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由高壓推力室、高揚(yáng)程大功率主渦輪泵、高壓大流量富氧燃?xì)獍l(fā)生器、預(yù)壓渦輪泵、閥門、調(diào)節(jié)器和總裝組件等構(gòu)成，發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Component structure of the engine system

通常，構(gòu)成液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的同類組件結(jié)構(gòu)與功能較為相似，因此其數(shù)學(xué)描述在形式上具有一致性［19］，從而使得不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有許多共同的故障模式，可為后續(xù)其他發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真驗(yàn)證提供參考。常見發(fā)動(dòng)機(jī)故障包括燃燒室燃?xì)庑孤⒀趸瘎┍们肮苈范氯?、氧化劑泵前管路泄漏、燃燒室燒蝕、發(fā)生器燃?xì)庑孤?、主渦輪轉(zhuǎn)子損壞、渦輪葉片燒蝕、主渦輪軸承被卡住、主渦輪葉片斷裂和氧渦輪輪緣脫落等。因此按照模塊化建模思想，搭建主渦輪、燃?xì)獍l(fā)生器、燃?xì)鈱?dǎo)管、燃燒室、液渦輪（燃料預(yù)壓渦輪）、燃料預(yù)壓泵、燃料一級(jí)泵、燃料二級(jí)泵、氧化劑預(yù)壓泵、氧化劑預(yù)壓渦輪、氧化劑泵和流量調(diào)節(jié)器等可以完成獨(dú)立物理功能且具有數(shù)學(xué)獨(dú)立性的模塊組件，不僅有利于共享故障模式和安全設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且具有結(jié)構(gòu)清晰、計(jì)算效率高和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。若將發(fā)動(dòng)機(jī)的每一個(gè)部件均視為具有一定輸入輸出關(guān)系的基本部件模塊［20］，其一般數(shù)學(xué)模型可表示為

式中：X=（x1，x2，x3，…）T為部件模塊的狀態(tài)變量；U=（u1，u2，u3，…）T為輸入變量；Y=（y1，y2，y3，…）T為輸出變量；D為部件間數(shù)學(xué)模型參數(shù)；F為故障因子，表征組件的故障狀態(tài)；H（·）與G（·）為部件模型的函數(shù)關(guān)系，相應(yīng)的模塊元件如圖2 所示。

基于以上方法，分別建立了液渦輪模型、燃?xì)鉁u輪模型、泵模型和熱力組件模型等發(fā)動(dòng)機(jī)各部件數(shù)學(xué)模型。建好的模型組件如圖3 所示。

圖3 模型組件圖Fig.3 Diagram of the model components

1.2 模型可信度驗(yàn)證

基于Matlab/Simulink 軟件，將建好的模型組件按照動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)關(guān)系，采用適當(dāng)?shù)姆绞桨迅鱾€(gè)組件連接在一起，完成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型構(gòu)建。由于在建模過(guò)程中，對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，為驗(yàn)證該模型精度，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)主渦輪轉(zhuǎn)速、燃燒室壓力在額定工況下的仿真數(shù)據(jù)與試車數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，如圖4 所示。結(jié)果顯示：發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果與試車結(jié)果吻合較好，但各項(xiàng)參數(shù)值都略大于試車結(jié)果。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)主渦輪轉(zhuǎn)速吻合最好，燃燒室壓力相比試車結(jié)果大約高2.6%。結(jié)果表明，該仿真模型精度較高，可滿足需求。

圖4 模型的仿真結(jié)果與試車結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of the simulation and test results for the model

2 數(shù)字化仿真平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模型特點(diǎn)，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由4 部分組成：實(shí)時(shí)仿真設(shè)備、各種接口設(shè)備、測(cè)試開發(fā)主機(jī)、仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)時(shí)仿真設(shè)備，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以保證仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行速度一致，其主要功能是對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解算，在沒有實(shí)物的情況下實(shí)時(shí)模擬液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作全過(guò)程并輸出監(jiān)測(cè)參數(shù)。接口設(shè)備主要有模擬量接口和數(shù)字量接口等，其作用為實(shí)現(xiàn)軟硬件間的實(shí)時(shí)通訊。測(cè)試開發(fā)主機(jī)，是對(duì)整個(gè)仿真過(guò)程進(jìn)行管理和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)仿真的啟?？刂啤⒐收献⑷?、數(shù)據(jù)可視化以及變量參數(shù)配置等功能，方便研究人員實(shí)時(shí)監(jiān)視模型的狀態(tài)參數(shù)變化，為后續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)后處理打下基礎(chǔ)。仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包括交換式千兆以太網(wǎng)與反射內(nèi)存卡2 部分。其中，交換式千兆以太網(wǎng)的作用主要包括：試驗(yàn)前將預(yù)先生成的各種數(shù)據(jù)文件發(fā)送給仿真計(jì)算機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行一些準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作，試驗(yàn)后對(duì)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與處理。反射內(nèi)存卡主要用于仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。

實(shí)時(shí)仿真設(shè)備以links-RT 為實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算機(jī)采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)是以RT-sim 為主控軟件的開發(fā)主機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)監(jiān)控實(shí)時(shí)仿真機(jī)的狀態(tài)，支持在線修改參數(shù)和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。下位機(jī)作實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)，用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工作狀態(tài)。與此同時(shí)，由于實(shí)時(shí)仿真要求仿真系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)時(shí)間一致，因此上位機(jī)還負(fù)責(zé)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真接口和數(shù)據(jù)采集卡的硬件通信通道。最后，實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸出通過(guò)軟硬件通信接口輸出數(shù)據(jù)和控制指令傳輸?shù)侥M輸出系統(tǒng)。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)TCP/IP 通訊連接。系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真硬件平臺(tái)如圖5 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 硬件平臺(tái)示意圖Fig.5 Hardware platform diagram

圖6 仿真計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of the simulation computer structure

構(gòu)建的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)以Links-RT 為核心，利用Matlab/Simulink 軟件進(jìn)行建模，結(jié)合VxWorks 操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真迭代過(guò)程，其主要工作流程為：①基于模塊化建模與仿真思想，利用Matlab/Simuink 軟件建立液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、液渦輪模型、燃?xì)鉁u輪模型、泵模型和熱力組件模型等不同狀態(tài)下的模型組件；② 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行連接，并進(jìn)行離線仿真，保證模型的可行性以及準(zhǔn)確度；③根據(jù)通用實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)Links-RT 硬件驅(qū)動(dòng)模塊的要求拆分和添加通道初始化模塊和下位機(jī)同步模塊等I/O 硬件接口，滿足數(shù)字化仿真平臺(tái)的軟硬件實(shí)時(shí)通信要求；④ 將修改后的動(dòng)態(tài)模型通過(guò)Microsoft Visual C++2015 編譯器［21］轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)仿真機(jī)可識(shí)別的C/C++文件，并通過(guò)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)下載到實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)中；⑤ 通過(guò)主控軟件RT-sim 設(shè)置實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的屬性參數(shù)并部署對(duì)應(yīng)目標(biāo)機(jī)，分別選擇需要監(jiān)視、記錄及編輯的變量參數(shù)并保存，為后續(xù)實(shí)時(shí)仿真做準(zhǔn)備；⑥ 運(yùn)行仿真系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)視面板實(shí)現(xiàn)對(duì)變量參數(shù)的在線監(jiān)視與修改，以獲取不同工況下的仿真數(shù)據(jù)；⑦ 對(duì)生成的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，完成實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳、格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)回放等功能。

3 數(shù)字化仿真平臺(tái)性能測(cè)試

3.1 操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是保證在一定時(shí)間限制內(nèi)完成特定功能的操作系統(tǒng)［22］。是指當(dāng)外界有事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠快速接收并對(duì)其進(jìn)行處理，處理之后產(chǎn)生的結(jié)果又能在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)處理系統(tǒng)做出快速響應(yīng)或控制生產(chǎn)過(guò)程，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)［23］。

為了更好地衡量操作系統(tǒng)任務(wù)切換精度，需借助函數(shù)接口編寫一段C 語(yǔ)言程序以利用系統(tǒng)定時(shí)器寄存器值計(jì)算時(shí)間間隔，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的時(shí)鐘時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)［24］。在時(shí)鐘時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，sysRateGet=60 是指當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍（Ticks）設(shè)定值為60；taskDelay（30）：delaytime=500 000 是指延時(shí)30 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍所用耗時(shí)為500 000 μs。結(jié)果表明，該操作系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性，滿足實(shí)時(shí)性需求。

3.2 鏈路實(shí)時(shí)通訊可靠性測(cè)試

該實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，是基于反射內(nèi)存卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信，數(shù)據(jù)文件的實(shí)時(shí)可靠傳輸是整個(gè)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定著仿真效果的準(zhǔn)確程度。反射內(nèi)存卡通過(guò)內(nèi)存映射的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸［25］，根據(jù)仿真過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，?duì)反射內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)傳輸可靠性進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要盡可能保證數(shù)據(jù)的可靠性，通常情況下可通過(guò)比對(duì)初始數(shù)據(jù)和所接收到的數(shù)據(jù)，來(lái)判斷鏈路中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?6］?？煽啃詼y(cè)試步驟如下：

1）上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)文件；

2）開始測(cè)試，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送讀取的數(shù)據(jù)文件；

3）下位機(jī)接收并讀出數(shù)據(jù)，與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，記下錯(cuò)誤數(shù)據(jù)數(shù)量，然后將接收到的數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)；

4）上位機(jī)讀出反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，與原數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同樣記下錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的數(shù)量；

5）通過(guò)一一比對(duì)每個(gè)讀出的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的差別，就可以計(jì)算出本次傳輸數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率，即數(shù)據(jù)誤碼率，從而得出該鏈路的數(shù)據(jù)傳輸是否可靠。

經(jīng)過(guò)上百次的重復(fù)測(cè)試，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對(duì)比后發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率為零，驗(yàn)證了該實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有極高的可靠性。

3.3 數(shù)值方法影響測(cè)試

該平臺(tái)要求為實(shí)時(shí)仿真，能在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成全部的計(jì)算任務(wù)，這就需要一種可以快速計(jì)算數(shù)值的方法。測(cè)試是在2.8 GHz 雙核CPU 計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，基于相同仿真環(huán)境和同一模型，分別采用牛頓迭代法及外推法、Runge-Kutta 法和Bocki-Shampine 法等3 種不同數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確程度以及實(shí)時(shí)性的影響進(jìn)行了測(cè)試與分析，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果如圖7 所示，解算時(shí)長(zhǎng)見表1。結(jié)果表明：牛頓迭代法及外推法的結(jié)果與離線仿真基本一致，誤差較小，并且其實(shí)時(shí)性滿足仿真需求；Runge-Kutta 法雖然解算時(shí)間較短，實(shí)時(shí)性較好，但其仿真結(jié)果易發(fā)散，誤差較大；Bocki-Shampine 法在實(shí)時(shí)性方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，但不能完全正確解算模型輸出。故綜合來(lái)看，本文所用方法——牛頓迭代法及外推法所測(cè)的數(shù)據(jù)更加真實(shí)，滿足該仿真實(shí)時(shí)性以及準(zhǔn)確性要求。

圖7 數(shù)值方法準(zhǔn)確性對(duì)比Fig.7 Accuracy comparison of the numerical methods

表1 解算時(shí)間Tab.1 Resolving time

4 數(shù)字化仿真平臺(tái)驗(yàn)證與應(yīng)用

4.1 數(shù)字化仿真平臺(tái)的驗(yàn)證

為驗(yàn)證該平臺(tái)的準(zhǔn)確性，給出了變工況條件下，燃燒室壓力與主渦輪轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果與試車結(jié)果的比較情況，如圖8 所示。

圖8 數(shù)字化仿真平臺(tái)仿真結(jié)果與試車結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of the simulation and test results for the digital

根據(jù)試車結(jié)果，對(duì)仿真模型設(shè)置了相應(yīng)的工況轉(zhuǎn)換時(shí)間與幅度。即：由啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)為額定工況，在20 s 的時(shí)候轉(zhuǎn)為高工況額定混合比，40 s 的時(shí)候轉(zhuǎn)為高工況高混合比，80 s 的時(shí)候又轉(zhuǎn)為高工況額定混合比，最終在90 s 時(shí)轉(zhuǎn)為額定工況直至正常關(guān)機(jī)。結(jié)果表明，該平臺(tái)精度較高，可滿足實(shí)際需求。

4.2 數(shù)字化仿真平臺(tái)的應(yīng)用

對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多種典型故障進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真并在所實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工況時(shí)間和幅度，得到相應(yīng)的變工況過(guò)程實(shí)時(shí)仿真結(jié)果，同時(shí)實(shí)時(shí)采集24 個(gè)相關(guān)參數(shù)。其中，采集參數(shù)包括壓力、溫度、流量和轉(zhuǎn)速等多種類型，具體參數(shù)及其含義見表2。最后采用Minmax 方法，對(duì)采集的不同工況下的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工況、燃燒室燃?xì)庑孤┕收弦约肮收献⑷氚l(fā)生器燃?xì)庑孤┕收蠒r(shí)，所監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化情況如圖9～11 所示。

表2 參數(shù)符號(hào)表Tab.2 Parameter symbol table

4.2.1 正常工況實(shí)時(shí)仿真結(jié)果分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，設(shè)定3 個(gè)不同轉(zhuǎn)換工況調(diào)節(jié)點(diǎn)：額定工況工作點(diǎn)、低工況工作點(diǎn)和高工況工作點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作40 s 時(shí)，實(shí)現(xiàn)額定工況向高工況的轉(zhuǎn)變；發(fā)動(dòng)機(jī)工作60 s 時(shí)，實(shí)現(xiàn)高工況向低工況的轉(zhuǎn)變；發(fā)動(dòng)機(jī)工作80 s 時(shí)，實(shí)現(xiàn)低工況向額定工況的轉(zhuǎn)變。參數(shù)變化情況如圖9 所示。

圖9 正常工況下實(shí)時(shí)仿真結(jié)果Fig.9 Real-time simulation results under normal working conditionsr

4.2.2 燃燒室燃?xì)庑孤┕收蠈?shí)時(shí)仿真結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生燃燒室燃?xì)庑孤┕收蠒r(shí)，各監(jiān)測(cè)參數(shù)相對(duì)于其正常值的變化情況如圖10 所示。

圖10 燃燒室燃?xì)庑孤┕收戏抡娼Y(jié)果Fig.10 Simulation results of the gas leakage fault of the combustion chambe

其中，燃料一級(jí)泵出口壓力增大，燃料一級(jí)泵入口壓力減小，燃料預(yù)壓泵流量大幅度增大，燃料預(yù)壓泵入口壓力有所增大，燃燒室入口燃料流量大幅度增大，燃?xì)獍l(fā)生器入口氧化劑流量增大，燃?xì)獍l(fā)生器壓力增大，氧化劑泵流量增大，氧化劑預(yù)壓泵流量增大，氧化劑預(yù)壓泵入口壓力和出口壓力均減小，氧化劑泵入口壓力減小，主渦輪轉(zhuǎn)速增大，液渦輪轉(zhuǎn)速與氧化劑預(yù)壓泵渦輪轉(zhuǎn)速均減小，主渦輪扭矩大幅度增大，燃燒室溫度降低。

4.2.3 燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)庑孤┕收蠈?shí)時(shí)仿真結(jié)果分析

當(dāng)仿真運(yùn)行到13.6 s 時(shí)，通過(guò)在線故障注入手段，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)庑孤┕收戏抡妗D11 為發(fā)生該故障時(shí)，各個(gè)參數(shù)相對(duì)于正常工況下的變化情況。故障注入之前，各監(jiān)測(cè)參數(shù)均未發(fā)生波動(dòng)。在故障注入的瞬間，參數(shù)大多發(fā)生了激烈變化，燃料二級(jí)泵入口壓力突然減小，燃料預(yù)壓泵入口壓力和出口壓力均突然減小，燃燒室壓力與溫度均突然減小，氧化劑泵入口壓力突然減小，氧化劑泵出口壓力突然增大，氧化劑泵預(yù)壓泵入口壓力突然減小，氧預(yù)壓渦輪轉(zhuǎn)速突然減小，主渦輪轉(zhuǎn)速突然增大。

圖11 燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)庑孤┕收献⑷胩匦苑治鯢ig.11 Analysis of the gas leakage fault injection characteristics of the gas generator

通過(guò)實(shí)時(shí)仿真不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，驗(yàn)證了該平臺(tái)可以提供高保真可信的仿真結(jié)果，有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)效率，為后續(xù)診斷算法的優(yōu)化、控制策略的設(shè)計(jì)與選擇打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了該平臺(tái)具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了一個(gè)統(tǒng)一的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仿真與測(cè)試平臺(tái)，旨在提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障維護(hù)效率和安全水平。通過(guò)對(duì)比分析不同型號(hào)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的特征，提出了一個(gè)模塊化建模方法。本文開發(fā)了實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)，為保證仿真的可信度，采用基于模型的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)仿真開發(fā)過(guò)程的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，并由自動(dòng)代碼生成工具替代人工手動(dòng)編譯方法。本文通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化硬件設(shè)備，在仿真過(guò)程中保證了模型的運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)保證了平臺(tái)仿真可信度，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的不同故障模式進(jìn)行仿真，展示了該平臺(tái)良好的實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)。

由于該測(cè)試平臺(tái)可以提供高保真和可信度的仿真結(jié)果，因此在將來(lái)把該平臺(tái)用于診斷算法和控制策略的改進(jìn)，有助于提高智能診斷算法的訓(xùn)練效率和提升控制器的控制能力。