2.1 氢氧发动机故障分析
某型氢氧发动机为燃气发生器循环、并联涡轮泵布局,推力室身部使用液氢进行再生冷却,喷管延伸段以液氢为介质进行排放冷却[9]。发动机系统如图3所示。
图3 氢氧发动机系统示意图
Fig.3 System schematic of hydrogen-oxygen engine
在发动机稳定工作阶段,当故障出现并发展时,发动机将出现不同程度的性能下降、参数不协调及元组件损坏等问题。利用发动机稳态特性仿真分析平台,可以在不分解发动机的情况下,通过稳态特性仿真的方法对故障模式开展初步的定位与评估。
如某次发动机试车过程中主要性能参数出现了约3%的波动如图4所示。根据试验数据,针对可能的故障模式建立发动机故障树(见图5),利用发动机稳态特性分析平台对试验数据进行了仿真分析,找到仿真结果与试验参数相吻合的故障模式,在未对产品进行分解检查的情况下,实现对故障进行了定性和定量分析,帮助故障快速成功定位,结果与产品分解检查情况一致,与试验参数相吻合的仿真计算结果如图6所示,直方图表示氧泵扬程与效率发生变化时发动机各主要参数的偏差情况,可以看出,仿真结果与试验参数的实际变化非常接近。
图4 发动机试车参数异常及产品分解检查情况
Fig.4 Abnormal engine test parameters and product overhaul
图5 故障模式鱼骨图
Fig.5 Fishbone diagram of failure mode
图6 故障模式仿真计算结果
Fig.6 Simulation results of failure mode
2.2 液氧/甲烷火箭发动机性能可靠性分析
某型液氧/甲烷发动机采用燃气发生器循环方式,推进剂供应系统采用单台富甲烷燃气发生器、同轴涡轮泵方案,再生冷却推力室。发动机系统如图7所示。
图7 液氧/甲烷发动机系统示意图
Fig.7 System schematic of LOX/LCH4 engine
与其他机械产品相比,大推力火箭发动机对性能可靠性的要求很高,并且整机试验需要花费巨额资金,特别是正在研制阶段的发动机,尚未进行性能可靠性试车,符合发动机性能评估的整机试验样本数量不足,如果使用经典的可靠性估算方法,则很难对尚在研制阶段的发动机开展可靠性评估。
在发动机研制过程中的某个阶段,虽然发动机整机级试验样本较少,但却拥有相对数量可观的子系统级与部件级试验数据样本,这些数据包含了丰富的部件特性信息,由这些部件组成的发动机整机性能可靠性与部件特性可靠性密切相关,通过建立合理的映射关系与数学模型,就能够在没有或者仅有很少整机性能试车样本的情况下获得发动机的整机性能可靠性[10-11]。
基于发动机组件及子系统的试验数据,通过随机方法[12-13]可以生成大量满足实际分布规律的部组件特性参数,运用低温火箭发动机稳态特性仿真分析模型库建立发动机部件特性与整机性能参数之间的映射关系,就可以通过仿真获得大样本条件下的发动机整机性能参数,然后通过统计学方法,就可以得到发动机的性能可靠性指标。本文通过上述步骤,经过统计分析,获得了某型液氧/甲烷火箭发动机整机性能可靠性指标,其中,各部件的特性参数X均服从正态分布,以各参数的设计值为基准,对参数特性进行无量纲化,通过统计得到各参数的数学期望μ和标准差σ如表7所示。通过大量部组件特性参数开展随机仿真的结果如图8和图9 所示,发动机性能参数落在规定范围内的可靠性点估计结果如表8所示,这为在研发动机的性能可靠性评估提供了一种可行的方法。
表7 部件特性分布规律
Tab.7 Distribution law of component characteristics
图8 真空推力仿真计算结果
Fig.8 Simulation results of vacuum thrust
图9 混合比仿真计算结果
Fig.9 Simulation results of mixing ratio
表8 发动机可靠性指标对比
Tab.8 Comparison of engine reliability index
2.3 液氧/甲烷发动机性能敏感性分析
火箭发动机的主要性能参数既受到自身部组件特性的影响,同时也受到外部环境因素的影响。通常把性能参数受自身部组件特性和外部因素的影响而产生的变化量称为性能参数对影响因素的敏感度[14]。利用发动机稳态特性仿真分析平台对影响图7所示液氧/甲烷发动机性能的因素开展了仿真与分析,得到了对发动机性能的影响较大的因素以及这些因素的影响程度,有利于设计人员聚焦于这些关键的影响因素,帮助设计人员加强敏感因素的质量控制与性能分析[15]。
能够对发动机性能产生影响的因素可分为两类,即内部影响因素和外部影响因素。外部影响因素是指由外部环境或发动机推进剂带来的干扰,如泵入口压力的变化、推进剂温度的变化和喷管出口的背压等,这种干扰一般可以准确测量并采取相应的措施进行控制; 内部因素则是指发动机自身带来的干扰,如在制造过程中的加工误差、零部件的安装误差或部件性能试验的测量系统误差等,这种误差具有随机性,难以准确测量与控制[10]。因此在进行性能敏感性分析时,主要关注内部干扰因素。
从仿真准确性和计算规模两个方面综合考虑,在单因素敏感性分析中,每个因素的水平数均取5,即基准值和分别偏离基准值-20%、-10%、10%、20%; 在多因素敏感性分析中,每个因素的水平数均取3,即基准值和分别偏离基准值-10%、10%。从计算结果可以看出,在本文所选定的参数变化范围之内,各内外因素对发动机的推力和混合比的影响有着较为相似的敏感度,可以得到基本相同的变化趋势,即随着影响因素变化率的增大,发动机推力和混合比的变化增大,二者近似呈线性关系。对于发动机推力,其敏感度大小为βt>ηpf>ηpo>Cqgov>Cqgfv>Cqgo>μt>Cqgf,其中涡轮、甲烷泵及氧泵的效率对发动机推力的影响程度最大; 对于发动机混合比,其敏感度大小为βt>ηpf>ηpo>Cqmov>Cqco>Cqcf>Cqgfv>μt,其中对发动机混合比影响程度最大的同样是涡轮效率、甲烷泵效率和氧泵效率。
推力和混合比对不同影响因素的平均敏感度直方图如图 10所示。
图 10 单因素下发动机主要性能敏感度分析结果
Fig.10 Sensitivity analysis results of engine main performance under single factor
图 10中,横坐标1～19代表的影响因素分别为甲烷泵入口压力p
ipf、氧泵入口压力p
ipo、甲烷主管路流阻系数Cq
pmf、氧主管路流阻系数Cq
pmo、甲烷副管路流阻系数Cq
psf、氧副管路流阻系数Cq
pso、推力室甲烷喷嘴压降Cq
cf、推力室氧喷嘴压降Cq
co、发生器甲烷喷嘴压降Cq
gf、发生器氧喷嘴压降Cq
go、涡轮喷嘴流量系数μ
t、涡轮效率系数β
t、甲烷泵效率系数η
pf、氧泵效率系数η
po、甲烷副阀流阻系数Cq
gfv、氧副阀流阻系数Cq
gov、甲烷主阀流阻系数Cq
mfv、氧主阀流阻系数Cq
mov、燃气管路流阻系数Cq
pg。
由分析结果可知,氧泵和甲烷泵入口压力,以及推进剂供应管路的流阻系数对发动机性能的影响相对较小,为提高分析效率,在开展多因素敏感性分析时可以忽略这些因素的影响,仅选取影响较大的因素开展分析。根据仿真与分析结果,在多因素共同作用时,发动机性能参数对各内外影响因素所表现出的敏感性与单因素作用时的结果基本一致。其中,影响发动机推力的因素重要性排序依次为:βt>ηpf>ηpo>Cqgov>Cqgfv>Cqgo>μt>Cqgf,影响发动机混合比的因素重要性依次为: βt>ηpf>ηpo>Cqmov>Cqco>Cqcf>Cqgfv>μt>Cqgf>Cqgov。根据极差分析的结果绘制发动机推力和混合比的极差直方图,分别如图 11和图 12所示。
图 11 多因素作用下发动机推力敏感度分析结果
Fig.11 Analysis results of engine thrust sensitivity under multi factors
图 12 多因素作用下发动机混合比敏感度分析结果
Fig.12 Sensitivity analysis results of engine mixing ratio under multi factors
可以看出,不同影响因素在多因素共同作用下对发动机性能的影响程度有所不同,如发动机推力对发生器氧阀的流阻系数较为敏感,而发动机混合比则对推力室氧喷注器的流阻系数较为敏感。通过分析得到对发动机性能影响较大的因素后,就可以采取措施,如加强零部件生产过程中的质量控制,或针对相应的部组件开展大量的地面试验,掌握部组件特性,降低因部组件特性的不确定性而对发动机整体性能造成的影响。此外,通过敏感性分析还可以给出发动机主要调节元件与发动机性能之间的定量关系,对提高调整精度和分析效率有一定帮助。
