基于模糊故障树和因子化分析的重复使用火箭发动机失效模式

为确定发动机薄弱环节,指导重复使用火箭发动机可靠性设计,以航天飞机主发动机为研究对象,通过模糊故障树分析法和因子化分析法对发动机主要组件的关键失效模式进行研究.结果表明:模糊故障树分析法给出关键重要度最高的底事件为由剥落、凹坑、磨损和腐蚀致高压氧化剂涡轮泵的轴承失效;因子化分析法通过考虑风险、时间和概率3种因素综合评估出发动机系统中的综合因子最高的失效模式为涡轮叶片失效.      

固体火箭发动机系统可靠性设计的故障树分析

以空－空导弹固体火箭发动机系统可靠性的故障树分析为例，建立了系统可靠性框图、故障树、结构函数、并进行了系统可靠度计算，结果表明：建立的计算模型是正确的，并可用于其它型号的系统可靠性故障分析。     

基于故障分辨能力的火箭发动机测量参数选择方法

针对液体火箭发动机测量参数选择这一难题，提出一种基于模型的、提高故障分辨能力和系统可靠性的液体火箭发动机测点选取方法。基于发动机系统非线性静态特性数学模型，建立常见发动机故障下的故障特征库，并采用飞行数据验证其准确性；分别基于凝聚层次聚类算法、蒙特卡洛方法和失效模式影响分析（FMEA）构建了发动机测量特征子集的故障分辨种类数、鲁棒性和系统可靠性3种评价指标，并基于改进的多目标二进制粒子群算法（MOBPSO）开展优化设计。优化后的测点排布，可分辨故障从9种提高到13种，鲁棒性与原排布相当，风险指数略有上升；进一步探究了副系统混合比在故障分辨中的重要作用并分析其机理。本文提出的方法对其他复杂、闭环动力系统测量特征的选择具有较好的应用价值。     

数据挖掘在运载火箭智能测试中的应用

针对运载火箭复杂系统的故障检测难以建立准确的数学模型的问题,研究了基于数据驱动的数据挖掘异常检测算法,对多种数据挖掘算法在运载火箭发动机异常检测的应用进行了研究和分析,提出了基于混合概率密度统计的多策略异常检测评价算法。该算法基于非监督学习的算法挖掘火箭发动机不同参数间的正常关联模型,火箭发动机早期的异常数据会引起正常关联模型的破坏,引入混合概率密度统计的多策略异常检测评价机制,可以有效屏蔽参数测量故障对系统故障检测的影响,从而更加准确给出系统异常程度。使用发动机历史试车数据作为样本进行特征模型的训练,使用一元、多元和混合概率密度模型对存在异常的发动机试车数据进行了实时异常检测的实验验证。实验结果表明,相比传统基于阈值和规则的异常检测算法,基于概率密度统计的多策略异常检测算法不仅可给出系统的正常和异常的状态,还可计算各参数和整个系统的异常值,为运载火箭进一步的故障诊断提供更加灵活的参考。     

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。     

基于Copula函数的单冷贮备串联结构可靠性分析

传统的系统可靠性模型不能很好地反映子系统间性能相依性对整机可靠性的影响,需要忽略系统组合初始可靠度问题。以串联结构为研究对象,研究了具有多个相依工作子系统和一个冷贮备单元的系统可靠性及平均失效前时间(MTTF),应用Copula函数描述了工作子系统之间复杂的寿命相依性,基于条件概率理论,建立了具有初始可靠度和冷贮备的子系统相依的系统可靠性模型,并给出了系统的MTTF显式。以单冷贮备的两串联结构系统为例,基于Farlie-Gumbel-Morgenstern(FGM)Copula函数及边缘寿命指数分布函数,分析了子系统之间的工作相依程度对整机系统可靠性的影响,将系统可靠性表示成不同失效率的指数可靠性函数的线性组合,验证了该建模方法的有效性,为工程系统的可靠性设计和可靠性管理提供了理论依据。     

液体火箭发动机健康监控──故障分析与仿真

以故障分析为目的，建立了一种大型泵压式液体火箭发动机的基本数学模型及实时数学模型，采用历史数据统计及数字仿真分析结合的方法，对发动机的故障模式及其效应进行了分析研究。提出了液体火箭发动机故障诊断系统的框架。为了对液体火箭发动机健康监控的算法及软件进行验证，以实时数学模型为基础，提供并建立了一个实时仿真验证系统。     

重复使用液体火箭发动机涡轮泵安全寿命预估方法

利用复杂系统寿命分布模型和故障树分析（FTA）理论建立了涡轮泵的安全寿命预估方法,并以航天飞机主发动机（SSME）高压液氢涡轮泵（HPFTP）的安全寿命预估为例,对该方法进行了说明。研究结果表明：(1)当待考核的HPFTP关键部件数大于10时,其寿命模型可以用指数分布近似表示,数目越多近似结果越可靠;(2)HPFTP的平均无故障工作时间（MTBF）为76 917 h,平均维修时间（MTTR）为8 879 h,0.998 8可靠度对应的安全寿命为25 575 s,可安全使用49次;0.999 6可靠度对应的安全寿命为8 521 s,可安全使用16次;安全使用11次对应的可靠度为0.999 7;(3)HPFTP涡轮叶片和喷嘴对应的关键重要度分别是0.217 5和0.216 6,集液器和叶轮对应的关键重要度都是0.174 2。该研究方法可为液体火箭发动机涡轮泵等复杂组件可重复使用性研究提供一定的参考。     

基于模型的液体推进系统故障诊断算法

给出串联双涡轮结构以泵作为供应系统的液体火箭发动机系统故障仿真的准动态数学方法和基于灰色关联度分析的实时诊断算法。该算法对于调整计算确定的具体系统和预先设定的典型故障模式进行仿真计算、事先形成该发动机系统的故障模式样本集。试车时, 利用诊断算法对采集的发动机性能参数进行实时分析, 从而给出发动机所处的健康状况, 以便及时采取措施, 提高发动机的安全性和可靠性。      

液体火箭发动机可靠性设计综合分析方法研究

针对液体火箭发动机可靠性设计问题，提出综合运用可靠性模块分析、故障模式及效应分析（FMEA）、故障数据分析及故障树分析（FTA）等可靠性分析方法，评估发动机不同设计方案的可靠性水平。此法可应用于方案论证阶段的发动机可靠性设计，并举例对某型号发动机的方案论证进行了典型分析计算。     

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

对全流量补燃循环发动机系统的研究与分析

论述了全流量补燃循环氢氧发动机的工作过程,并给出了基于这种循环方式的发动机的系统简图。根据现有的氢氧发动机的研制现状,针对全流量补燃发动机进行了系统参数的平衡计算。从这种循环方式的工作机理出发,结合参数计算得到的结果对这种循环方式的发动机的先进性进行了讨论。认为这种循环方式的氢氧发动机可以具有更高的可靠性,以及能够获得更高的性能,能够满足人们现在对高可靠性,低成本,可重复使用的液体火箭发动机的要求。      

推进剂利用系统对液体火箭发动机性能的影响分析

建立了带有推进剂利用系统的泵式压液体火箭发动机稳态工况的非线性数学模型，用非线性优化方法和小偏差方法计算分析了推进剂利用系统调节阀所控制的燃料流量对液体火箭发动机性能的影响，并对比分析了计算结果。所得结论可用于泵压式液体火箭发动机的控制和调节、试验结果分析、可靠性分析、故障分析，也可用于揭示发动机参数随各种干扰因素的变化规律。     

基于故障树的蒙特卡罗仿真在可靠性评估中的应用

在某型飞机发动机可靠性评估过程中,通过对各子系统的可靠性分析,构建了系统的故障树模型,提出了基于蒙特卡罗算法的仿真运算。以发动机空中停车为例,通过故障树分析,建立了空中停车的失效模型,应用蒙特卡罗法对失效模型进行了仿真评估。结果表明,基于故障树分析的蒙特卡罗仿真方法,在可靠性评估中计算快捷,可以精确和客观地描述设备的重要度级别,为系统可靠性设计提供有力的支持。     

A new approach to fuzzy dynamic fault tree analysis using the weakest n-dimensional t-norm arithmetic

Dynamic fault tree analysis is widely used for the reliability analysis of the complex system with dynamic failure characteristics. In many circumstances, the exact value of system reliability is difficult to obtain due to absent or insufficient data for failure probabilities or failure rates of components. The traditional fuzzy operation arithmetic based on extension principle or interval theory may lead to fuzzy accumulations. Moreover, the existing fuzzy dynamic fault tree analysis methods are restricted to the case that all system components follow exponential time-to-failure distributions. To overcome these problems, a new fuzzy dynamic fault tree analysis approach based on the weakest n-dimensional t-norm arithmetic and developed sequential binary decision diagrams method is proposed to evaluate system fuzzy reliability. Compared with the existing approach, the proposed method can effectively reduce fuzzy cumulative and be applicable to any time-to-failure distribution type for system components. Finally, a case study is presented to illustrate the application and advantages of the proposed approach.     

液氧煤油火箭发动机起动故障检测

针对液氧煤油发动机试车起动阶段故障检测需要,确定了采用时序模型和非线性回归模型的两种检测方法,提出了检测参数选取的一般性原则并结合液氧煤油发动机特点确定了检测参数,设计了故障检测所需的完整的软、硬件系统。经系统调试和试车同步验证,证明该检测系统能有效检测发动机起动阶段故障,对提高试车可靠性和安全性有重要意义。      

离散时间T-S动态故障树在民用飞机辅助动力装置系统安全性评估中的应用研究

辅助动力装置（APU）是安装于飞机上的、用于提供辅助动力源的、自成体系的小型发动机。在民用飞机APU系统安全性评估过程中,逐步采用动态故障树对传统故障树进行优化,使故障树分析结果能够更加精确地体现系统失效的动态特性。不同于传统故障树可以根据布尔逻辑求解,动态故障树一般需要转化为同构的状态空间模型才能求解。这种求解过程欠缺通用性,并且存在指数爆炸问题。采用离散时间T S动态故障树计算方法,计算了APU系统故障树中的一段子树的顶事件的失效概率,并与使用马尔可夫模型计算的结果进行比较。计算结果发现随着任务时间分段的增加,相对误差单调下降。当任务时间分段大于5时,相对误差小于1%,在计算精度满足要求的情况下能够显著降低计算成本。