CN112539678A - 一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法，根据发射日不同时段流程的特点对整个发射流程进行阶段规划。每个阶段按工作内容的独立程度划分为若干项工作，每项工作由独立的自动控制程序控制执行。由于判读数据多，算法复杂，故障检测定位难度大且处置要求高，所以在执行自动发射控制的同时，构建故障诊断的数据处理知识库，对流程中的重要数据进行判读，实现故障快速定位，并自动执行故障处置。

Description

一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法

技术领域

本发明属于新型运载火箭动力系统技术领域，特别针对大型低温动力运载火箭而设计，在低温推进剂加注后、火箭发射前实现对低温动力系统的自动化测试功能。

背景技术

采用液氢/液氧、液氧/煤油发动机的低温运载火箭将成为我国航天运输系统的主力军，在射前流程中特别是推进剂加注过程，对安全性要求非常高。美国、前苏联、巴西等国家都曾发生过火箭在塔架爆炸而导致大量人员伤亡的灾难性事故，教训惨痛。2016年9月，法尔肯9火箭加注后的静态测试中发生爆炸，所幸由于其采用了诸多自动化技术，实现了发射前端无人值守，未造成人员伤亡，这也从侧面反应了自动化的测试发射技术对提高火箭发射控制安全性的重要意义。

近些年，我国运载火箭为实现发射场测试发射模式从有人值守向无人值守转变，开展了很多研究和实践，但加注、发射准备的自动化程度仍然偏低，尚未完全脱离有人值守模式，距国外先进水平仍有较大差距。

低温火箭的发射准备工作交叉进行，在功能上隶属于不同的分系统，但在发射准备过程，很多测试和操作项目之间又互相影响，紧密耦合。受传统设计理念、测发技术基础等因素的影响，火箭自动发射控制技术在国内还属于空白。在这种测发模式下，靶场指挥、操作人员随着火箭动力系统规模的增加而成倍增加，新一代运载火箭靶场相关岗位人员为常规推进剂火箭相关岗位人员的1倍有余。对标国际，要真正实现前端无人值守，提升火箭发射的可靠性和安全性，缩减靶场岗位人员，减少发射成本，就必须开展低温火箭自主发射控制技术，但该项技术依然是当前航天领域的前沿技术，需要解决低温火箭动力系统测发流程自动化设计与控制、故障智能检测、测控设备软硬件的高可靠集成设计等多项关键技术，因此，急需要研究低温动力系统自动化测试知识库，优化测试发射流程，实现软件设计，并进行充分的测试，着力实现一键测控的最终目标。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种低温动力系统自动化测试知识库表示方式，对低温动力系统测试信息及流程控制逻辑进行梳理和分类，对低温动力系统故障判据及其分支程序进行梳理，形成一种可供转化的自动化流程知识库表示方式。

本发明的技术方案是：一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法，步骤如下：

1)根据不同时段流程的特点对整个发射流程进行阶段规划，将低温动力火箭自-12h至点火分为7个阶段，分别为-12h～-8h、-8h～-5h、-5h～-3h、-3h～-40min、-40min～-4min20s、-4min20s～点火、配气台复位；分阶段执行，每个阶段按工作内容的独立程度划分为若干项工作，每项工作由独立的自动控制程序控制执行；各阶段设置开始口令，包括“-12h准备”、“-8h准备”、“-5h准备”、“-3h准备”、“-40min准备”、“-4min20s准备”、“配气台复位”；各阶段具体过程为：

-12h～-8h：煤油加注，在接收到“-12h准备”口令后依次执行检查气源压力——煤油排气阀打开——煤油加注阀打开——煤油加注过程状态巡检——煤油加注阀关闭——煤油箱预增压；

-8h～-5h：液氧加注，在接收到“-8h准备”口令后依次执行检查气源压力——氢氧泵腔吹除——液氧加注前状态检查——氧箱排气阀打开——氧箱加注阀打开——氧箱压力巡检；

-5h～-3h：液氢加注，在接收到“-5h准备”口令后依次执行检查气源压力——氢泵腔吹除——第一次D3、D45吹除——液氢加注前状态检查——液氢加注——氢箱压力巡检；

-3h～-40min：抽真空、煤油充填，在接收到“-3h准备”口令后依次执行检查气源压力——地面系统抽真空——箭上抽真空——煤油充填——关闭DQ1——煤油停止充填并打开隔离阀——煤油隔离阀抬座撤气——煤油隔离阀打开撤气——煤油箱射前增压——煤油箱增压后压力检查；

-40min～-4min20s：射前补加，在接收到“-40min准备”口令后依次执行检查气源压力——打开D3、D45吹除——二级发动机预冷；

-4min20s～点火：点火起飞，在接收到“点火”口令后执行停止一级氧箱射前增压，在接收到“起飞”口令后依次执行停止气封——停止泵隔离腔吹除——停止发动机强吹——停止氧加注管吹除——停止芯级增压输送系统阀门控制气；

配气台复位：在接收到“配气台复位”口令后依次执行一、二级动力配气台复位操作。

还包括自动故障检测、定位和故障处理过程，具体如下：

首先对有工作状态判断的部位布置测点，包括供气压力、箱压、压力变化速率、流量、温度，对采集到的参数进行处理，根据专家经验、历史数据包络和大数据分析，将低温动力系统自动化测试流程和故障检测条件逐一梳理，列出检测条件要素全集并归纳合并，故障诊断系统基于关键参数的阈值判断进行状态监测和初步的故障定位；研究不同故障模式下系统监测参数的变化规律和对发射流程的影响，以获取可靠和足够的故障判据信息构建一个故障诊断知识库。

对采集到的参数进行处理，具体方法为：在故障诊断过程中，对时序控制精度要求不高的，对判据参数应连判3帧，若3帧数据均正常，则认为正常，若3帧数据均超差，则认为故障；对时序控制精度要求高的，采用3个测点参数取中值作为控制条件；在故障诊断过程中，对于判据参数为频采型的模拟量或状态量参数时，对于只判一次的判据，应在5s内完成检测，若5s内未得出结论，则按故障处置，对于持续判断的判据，若连续5s未得出结论，则软件提示“XX参数接收异常”，但不按故障处置；对于判据参数为即采型的状态量参数时，若10s内未收到该状态数据，则按故障处置。

在故障诊断过程中，根据故障诊断知识库对检测参数进行自动判读，若参数异常，进行故障定位并实现自动故障处置；所述自动故障处置，分为四种故障处置方式：提示故障信息、启动冗余切换自动处理措施、中止自动流程、终止自动流程；各个流程间相互协同故障处置；若暂停或停止自动流程，必须将火箭停止在当前阶段下的应急安全的状态下，为人工处置故障创造条件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

传统测发模式，动力系统射前操作过程复杂，相互紧耦合，安全风险大，故障检测定位难度大且处置要求高，本发明第一次实现发射日低温动力系统的自动发射控制，通过设定时间或逻辑条件启动该工作；当一个阶段的工作完成之后，确认前置工作的效果满足后续流程的条件后，再进入下一个阶段的工作，从流程设计上可以避免将隐患带入下一阶段而给流程处理带来额外困难和技术风险

因发射日的判读数据量大，且判读算法复杂，传统判读方法有错判漏判的风险，且耗时长，本发明提出了故障诊断知识库能够实现快速故障检测并定位，大大提高了发射日的发射可靠性。

根据故障诊断知识库能够迅速做出故障处置措施，大大提高了故障响应的及时性，且系统故障时会自动将火箭置于一个保护安全的状态，规避了故障给全箭带来的安全隐患。

附图说明

图1为知识库的表示和检索方式。

图2为知识向导式录入知识流程图。

具体实施方式

1.向导式的知识录入

按照“火箭型号-飞行发次-测试类型-测试阶段-分系统”五层树状结构对知识进行管理，将低温动力火箭自-12h至点火分为7个阶段的自动控制流程，基于该五层结构等以向导式创建指令规则、故障检测判据和故障定位判据。向导式的知识录入流程如图2所示，主要步骤为：

第一步：建立测试项目(指令规则)

依次列出要诊断的测试项目，设置测试项目开始标志或启判条件。

第二步：建立故障检测判据

选择要监测或判断的参数，设置参数变化规律，支持上下限、标准值与误差、函数、期望值、时序等描述形式。

第三步：建立故障定位判据

选择故障定位所需要的参数，设置判断条件，并输入故障模式信息。

本发明一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法，步骤如下：

1)根据不同时段流程的特点对整个发射流程进行阶段规划，将低温动力火箭自-12h至点火分为7个阶段，分别为-12h～-8h、-8h～-5h、-5h～-3h、-3h～-40min、-40min～-4min20s、-4min20s～点火、配气台复位；分阶段执行，每个阶段按工作内容的独立程度划分为若干项工作，每项工作由独立的自动控制程序控制执行；各阶段设置开始口令，包括“-12h准备”、“-8h准备”、“-5h准备”、“-3h准备”、“-40min准备”、“-4min20s准备”、“配气台复位”；各阶段具体过程为：

-12h～-8h：煤油加注，在接收到“-12h准备”口令后依次执行检查气源压力——煤油排气阀打开——煤油加注阀打开——煤油加注过程状态巡检——煤油加注阀关闭——煤油箱预增压；

-8h～-5h：液氧加注，在接收到“-8h准备”口令后依次执行检查气源压力——氢氧泵腔吹除——液氧加注前状态检查——氧箱排气阀打开——氧箱加注阀打开——氧箱压力巡检；

-5h～-3h：液氢加注，在接收到“-5h准备”口令后依次执行检查气源压力——氢泵腔吹除——第一次D3、D45吹除——液氢加注前状态检查——液氢加注——氢箱压力巡检；

-3h～-40min：抽真空、煤油充填，在接收到“-3h准备”口令后依次执行检查气源压力——地面系统抽真空——箭上抽真空——煤油充填——关闭DQ1——煤油停止充填并打开隔离阀——煤油隔离阀抬座撤气——煤油隔离阀打开撤气——煤油箱射前增压——煤油箱增压后压力检查；

-40min～-4min20s：射前补加，在接收到“-40min准备”口令后依次执行检查气源压力——打开D3、D45吹除——二级发动机预冷；

-4min20s～点火：点火起飞，在接收到“点火”口令后执行停止一级氧箱射前增压，在接收到“起飞”口令后依次执行停止气封——停止泵隔离腔吹除——停止发动机强吹——停止氧加注管吹除——停止芯级增压输送系统阀门控制气；

配气台复位：在接收到“配气台复位”口令后依次执行一、二级动力配气台复位操作。

还包括自动故障检测、定位和故障处理过程，具体如下：

首先对有工作状态判断的部位布置测点，包括供气压力、箱压、压力变化速率、流量、温度，对采集到的参数进行处理，根据专家经验、历史数据包络和大数据分析，将低温动力系统自动化测试流程和故障检测条件逐一梳理，列出检测条件要素全集并归纳合并，故障诊断系统基于关键参数的阈值判断进行状态监测和初步的故障定位；研究不同故障模式下系统监测参数的变化规律和对发射流程的影响，以获取可靠和足够的故障判据信息构建一个故障诊断知识库。

对采集到的参数进行处理，具体方法为：在故障诊断过程中，对时序控制精度要求不高的，对判据参数应连判3帧，若3帧数据均正常，则认为正常，若3帧数据均超差，则认为故障；对时序控制精度要求高的，采用3个测点参数取中值作为控制条件；在故障诊断过程中，对于判据参数为频采型的模拟量或状态量参数时，对于只判一次的判据，应在5s内完成检测，若5s内未得出结论，则按故障处置，对于持续判断的判据，若连续5s未得出结论，则软件提示“XX参数接收异常”，但不按故障处置；对于判据参数为即采型的状态量参数时，若10s内未收到该状态数据，则按故障处置。

在故障诊断过程中，根据故障诊断知识库对检测参数进行自动判读，若参数异常，进行故障定位并实现自动故障处置；所述自动故障处置，分为四种故障处置方式：提示故障信息、启动冗余切换自动处理措施、中止自动流程、终止自动流程；各个流程间相互协同故障处置；若暂停或停止自动流程，必须将火箭停止在当前阶段下的应急安全的状态下，为人工处置故障创造条件。

以表1中二级发动机终期置换测试项目为例，第一步建立测试项目，其包含气源压力检查和贮箱压力巡检两个子流程，建立开始条件，即子流程1的开始条件为项目开始后0s执行，子流程2的开始条件为子流程1中的故障诊断完成后执行。

第二步，构建需要判读的参数及判据，详见表1中的判据。

第三步设置判定条件、故障模式及故障处置方式，详见表1。

表1二级发动机终期置换(接收到“-12h准备”口令后延时2h执行)

2.建立好低温动力系统自动控制流程的故障诊断知识库后，在发射日的测试中即可根据知识库中的内容，按照图1的方法对测发流程中的重要参数进行实时判读并及时进行故障处置。仍以表1中的两个子流程为例进行说明。

若当前进程为-12h～-8h——二级发动机终期置换中的子流程1，输入参数为：X2-BP_HeG35B、X2-BP_HeZ9、X2-BP4、2Pcj，起判条件为子流程1开始后起判，停判条件为仅判一次，确认时间为5s，确认次数为3次，为连续次数非累计次数，判据为输入参数的上下限范围，若满足起判条件后，在5s内连续3帧数据均故障则进行相应的故障处置，首先弹出故障模式信息，并停止“二级发动机终期置换自动控制”程序

若子流程1中的故障诊断完成后则执行子流程2，输入参数为：2Pyxq1、2Pyxq2、2Pyxq3，起判条件为子流程2开始后起判，停判条件为接收到“-8h准备”口令，确认时间为5s，确认次数为3次，为连续次数非累计次数，判据为输入参数取中值后的上下限范围，若满足起判条件后，在5s内输入参数取中值后连续3帧数据均故障则进行相应的故障处置，首先弹出故障模式信息，并启动冗余控制措施。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法，其特征在于步骤如下：

根据不同时段流程的特点对整个发射流程进行阶段规划，将低温动力火箭自-12h至点火分为7个阶段，分别为-12h～-8h、-8h～-5h、-5h～-3h、-3h～-40min、-40min～-4min20s、-4min20s～点火、配气台复位；分阶段执行，每个阶段按工作内容的独立程度划分为若干项工作，每项工作由独立的自动控制程序控制执行；各阶段设置开始口令，包括“-12h准备”、“-8h准备”、“-5h准备”、“-3h准备”、“-40min准备”、“-4min20s准备”、“配气台复位”；各阶段具体过程为：

-12h～-8h：煤油加注，在接收到“-12h准备”口令后依次执行检查气源压力——煤油排气阀打开——煤油加注阀打开——煤油加注过程状态巡检——煤油加注阀关闭——煤油箱预增压；

-8h～-5h：液氧加注，在接收到“-8h准备”口令后依次执行检查气源压力——氢氧泵腔吹除——液氧加注前状态检查——氧箱排气阀打开——氧箱加注阀打开——氧箱压力巡检；

-5h～-3h：液氢加注，在接收到“-5h准备”口令后依次执行检查气源压力——氢泵腔吹除——第一次D3、D45吹除——液氢加注前状态检查——液氢加注——氢箱压力巡检；

-3h～-40min：抽真空、煤油充填，在接收到“-3h准备”口令后依次执行检查气源压力——地面系统抽真空——箭上抽真空——煤油充填——关闭DQ1——煤油停止充填并打开隔离阀——煤油隔离阀抬座撤气——煤油隔离阀打开撤气——煤油箱射前增压——煤油箱增压后压力检查；

-40min～-4min20s：射前补加，在接收到“-40min准备”口令后依次执行检查气源压力——打开D3、D45吹除——二级发动机预冷；

-4min20s～点火：点火起飞，在接收到“点火”口令后执行停止一级氧箱射前增压，在接收到“起飞”口令后依次执行停止气封——停止泵隔离腔吹除——停止发动机强吹——停止氧加注管吹除——停止芯级增压输送系统阀门控制气；

配气台复位：在接收到“配气台复位”口令后依次执行一、二级动力配气台复位操作。

2.根据权利要求1所述的一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法，其特征在于：还包括自动故障检测、定位和故障处理过程，具体如下：

首先对有工作状态判断的部位布置测点，包括供气压力、箱压、压力变化速率、流量、温度，对采集到的参数进行处理，根据专家经验、历史数据包络和大数据分析，将低温动力系统自动化测试流程和故障检测条件逐一梳理，列出检测条件要素全集并归纳合并，故障诊断系统基于关键参数的阈值判断进行状态监测和初步的故障定位；研究不同故障模式下系统监测参数的变化规律和对发射流程的影响，以获取可靠和足够的故障判据信息构建一个故障诊断知识库。

3.根据权利要求2所述的一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法，其特征在于：对采集到的参数进行处理，具体方法为：在故障诊断过程中，对时序控制精度要求不高的，对判据参数应连判3帧，若3帧数据均正常，则认为正常，若3帧数据均超差，则认为故障；对时序控制精度要求高的，采用3个测点参数取中值作为控制条件；在故障诊断过程中，对于判据参数为频采型的模拟量或状态量参数时，对于只判一次的判据，应在5s内完成检测，若5s内未得出结论，则按故障处置，对于持续判断的判据，若连续5s未得出结论，则软件提示“XX参数接收异常”，但不按故障处置；对于判据参数为即采型的状态量参数时，若10s内未收到该状态数据，则按故障处置。

4.根据权利要求3所述的一种运载火箭低温动力系统自动发射控制方法，其特征在于：在故障诊断过程中，根据故障诊断知识库对检测参数进行自动判读，若参数异常，进行故障定位并实现自动故障处置；所述自动故障处置，分为四种故障处置方式：提示故障信息、启动冗余切换自动处理措施、中止自动流程、终止自动流程；各个流程间相互协同故障处置；若暂停或停止自动流程，必须将火箭停止在当前阶段下的应急安全的状态下，为人工处置故障创造条件。

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