基于模型的液体火箭发动机故障诊断技术回顾与展望

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29016

Abstract

Abstract:

The reusable liquid rocket engine is a key development direction of the future aerospace industry， and fault diagnosis capability is an important guarantee for its safe operation. Due to complex structure and harsh working conditions of the liquid rocket engine， its characteristics of multiple start-ups and wide-range thrust regulation in the reusable scenario， as well as diversity of failure modes， difficulty in fault mechanism analysis and lack of failure data， fault diagnosis research is facing many challenges. The model-based fault diagnosis method can cover failure modes comprehensively， operate with a clear process， and does not rely on fault data and expert knowledge support， exhibiting high engineering application value under current conditions. Therefore， this paper reviews the development and research of this domain in three aspects： model-based fault simulation， analytical model-based and empirical model-based fault diagnosis of liquid rocket engines on the system level. After a summary of its weaknesses and challenges， this paper makes prospect on the development trends of this technology.

Key words: liquid rocket engine, fault diagnosis, fault simulation, analytical model, empirical model

CLC Number:

V434

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Figures/Tables 9

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序号	故障形式	关键部件
1	泄漏	接头、焊缝、裂纹、转动密封件、固定密封件、阀门密封座、通道
2	磨损/腐蚀	滚珠轴承、叶片、喷注器、密封件、叶轮、主燃烧室
3	咬合	滚珠轴承、阀门
4	断裂/破裂	叶片、喷注器、支撑、波纹管、焊缝、钎焊、导管、诱导轮
5	剥落/脱落	滚珠轴承、涡轮叶冠
6	堵塞	导管、通道、小孔
7	温度循环变化	叶片、燃烧室壁、集合器、燃气管道
8	异物	喷注器、涡轮泵、节流孔

序号	故障模式	序号	故障模式
1	螺钉力矩松弛	9	轴承损坏
2	冷却通道泄漏/断裂	10	导管破裂
3	接头泄漏	11	涡轮泵端面密封泄漏
4	热燃气传递管破裂	12	润滑油压不正常
5	高涡轮泵摩擦力矩	13	阀门污染、过分摩擦
6	涡轮叶片断裂	14	阀门内泄漏
7	波纹管失效	15	调节器偏差
8	电插头松开	16	液压系统污染

故障模式	故障次数
裂纹、撕裂、断裂	19
烧蚀	10
泄漏	2
爆炸	2
高频不稳定燃烧	1
喷管内壁失稳	1

故障模式	故障次数
断裂	12
泵爆炸	7
烧蚀	4
磨损	3
卡死	3
叶片脱落	3
转速低	1
起火	1
叶冠脱落	1
氢泵损坏	1
端面密封失效	6
轴承损坏	2

方法类型	具体方法	适用工况类型	故障模式分类能力	传感器故障鲁棒性	计算效率
基于解析模型	状态估计法	稳态	一般	强	慢
	增广状态参数估计法	稳态	强	强	慢
	静态模型参数估计法	稳态	强	弱	快
	奇偶空间法	稳态	一般		快
基于经验模型	时间序列分析法	稳态	弱		快
	递归结构辨识法	起动及关机	弱		快
	神经网络建模法	起动及稳态	一般	强	快
	支持向量回归法	起动及稳态			快

Review and prospect of model-based fault diagnosis technology for liquid rocket engines

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