CN114459762B - 一种火箭发动机健康状态诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火箭发动机健康状态诊断系统及方法，火箭发动机点火启动后，多个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力；四个位置的压力数据，分别与对应预设范围比较，均在预设范围内输出发动机状态健康，均不在预设范围内输出发动机状态不健康，部分压力数据不在预设范围内，则：将四个位置的传感器与对应的量程范围比较，存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态不健康，不存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态健康。本发明以实时逻辑算法确定发动机工作状态是否正常，并在异常时快速触发控制系统指令，实现发动机的实时防护和可靠，降低试验风风险，保护发动机实物产品。
Description
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机地面热点火试验技术领域，尤其涉及一种火箭发动机健康状态诊断系统及方法。
背景技术
液体火箭发动机在研制过程中，因为发动机功率密度高，工作条件恶劣，发动机存在因部件失效、异常、泵碰磨等各种意外情况导致的发动机工作异常，发动机工作异常时如果不能及时有效的判断和处理，将导致高压高风险推进剂无组织燃烧引发事故，甚至导致爆炸，给发动机研制交付和试验系统带来不可控的影响和破坏。
发动机产生异常在关键组件上均有响应，如不及时处理，异常会进一步扩展，早发现、早处理成为液体火箭发动机健康监控的一个发展趋势。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种火箭发动机健康状态诊断系统及方法，通过高速实时采集传感器数据，以上位机的形式实时逻辑算法分析，采用阈值诊断的方式确定发动机工作状态是否正常，并在异常时快速触发控制系统指令，实现发动机的实时防护和可靠，降低试验风风险，保护发动机实物产品。
为达到上述目的，本发明提供了一种火箭发动机健康诊断系统，包括多个压力传感器、调理设备、数字采集设备以及上位机；
火箭发动机在地面试验时，发动机点火启动后，多个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力，经所述调理设备放大滤波后，由数字采集设备转换为数字信号后存入缓冲区；
所述上位机包括读取单元、第一比较单元、第二比较单元；所述读取单元读取缓冲区的四个位置的压力数据；所述第一比较单元将四个位置的压力数据分别与对应预设范围比较，如果均在预设范围内输出发动机状态健康，如果至少3个超出预设范围内输出发动机状态不健康，如果1个或2个位置的压力数据不在预设范围内，启动第二比较单元；所述第二比较单元将不在预设范围的压力传感器与对应的量程范围比较，当存在不在量程范围内的压力传感器输出发动机状态不健康，当不存在不在量程范围内的压力传感器输出发动机状态健康。
进一步地，依据发动机组件的液流试验数据及燃烧功能转换和功能平衡方程，计算得到预期状态下的四个位置的压力预设范围，健康状态下，燃料泵出口压力＝发生器燃料喷前压力+额定流量阻力损失、发生器氧化剂喷前压力等于发动机氧泵扬程，，推力室压力等于燃烧和泵功率平衡后的总压力。
进一步地，当判断发动机状态不健康时进行紧急处理，压力传感器超出额定量程时判定压力传感器失效，时效压力传感器对应的压力数据退出诊断；至少3个超出预设范围时实时紧急关机，终止发动机热试车。
进一步地，还包括高速IO通信触发器，当判断发动机状态不健康，上位机通过高速IO通信触发器向火箭控制系统发送该发动机的关机指令。
进一步地，读取单元对压力数据的有效性进行判断，无效直接丢弃，判断下一帧数据，超出三帧无效后参数不参与判断。
本发明另一方面提供一种火箭发动机健康诊断方法，包括：
火箭发动机地面试验状态下点火启动后，多个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力；
读取四个位置的压力数据，分别与对应预设范围比较，如果均在预设范围内输出发动机状态健康，如果至少3个超出预设范围内输出发动机状态不健康，如果1个或2个位置的压力数据不在预设范围内，则：将不在预设范围内的传感器与对应的量程范围比较，当存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态不健康，当不存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态健康。
进一步地，各个压力传感器的阈值范围设定包括：依据发动机组件的液流试验数据及燃烧功能转换和功能平衡方程，计算得到预期状态下的四个位置的压力预设范围，健康状态下，燃料泵出口压力＝发生器燃料喷前压力+额定流量阻力损失、发生器氧化剂喷前压力等于发动机氧泵扬程，推力室压力等于燃烧和泵功率平衡后的总压力。
进一步地，当判断发动机状态不健康时进行紧急处理，压力传感器超出额定量程时判定压力传感器失效，时效压力传感器对应的压力数据退出诊断；至少三个超出预设范围时实时紧急关机，终止发动机热试车。
进一步地，还包括当判断发动机状态不健康，上位机通过IO口向火箭控制系统发送该发动机的关机指令。
进一步地，对接收到压力数据的有效性进行判断，无效直接丢弃，判断下一帧数据，超出三帧无效后参数不参与判断。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明在发动机关重部位设置传感器采集参数，经AD变换后以高频采集，通过数字信号处理后与诊断规则进行实时比较，在剔除传感器、数据采集等意外因素(监测传感器量程及供电情况、采集系统正常时采集系统对外输出一个状态标识，通过对状态标识的判断可以断定采集系统仍在正常工作)后，按照设定算法计算发动机健康状态，一旦超出设定阈值即进行相应处理，可在10ms内完成从发现异常、分析判断到处理动作的全过程。
(2)本发明以上位机的形式实时逻辑算法确定发动机工作状态是否正常，并在异常时快速触发控制系统指令，实现发动机的实时防护和可靠，降低试验风风险，保护发动机实物产品。
附图说明
图1是火箭发动机健康诊断系统示意图；
图2是火箭发动机健康诊断流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
依据发动机故障模式和失效概率，采用压力传感器进行系统状态监测，压力传感器设置在发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前、推力室压力等四个部位，该四部分在发动机工作过程中相互关联，通过精密的数学模型关联在一起，一处产生异常时其余部分实时表征异常，健康的判定为四部分参数工作在发动机预设参数内。考虑运行时的参数波动，预设参数通过上下限系数进行框定，一旦发动机工作时实时测量到的参数超出了上限或者低于下限，需要判定其余参数是否在正常区间范围内、传感器测量值是否在传感器额定量程内以排除传感器失效、测量异常等情况，如果三个参数均超出了预设的上下限，认为发动机状态不健康，需要实时紧急处置。
火箭发动机健康诊断系统硬件部分由压力传感器、调理设备、数字采集设备、上位机、高速IO通信触发器等组成。压力传感器经与数字采集设备联校后，误差低于0.5％，以满足试验任务输入要求。在火箭发动机点火启动后，4个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力，经所述调理设备放大滤波后，由数字采集设备转换为数字信号后存入缓冲区。
上位机包括读取单元、第一比较单元、第二比较单元；所述读取单元读取缓冲区的四个位置的压力数据；所述第一比较单元将四个位置的压力数据分别与对应预设范围比较，如果均在预设范围内输出发动机状态健康，如果3或4个不在预设范围内输出发动机状态不健康，如果1个或2个位置的压力数据不在预设范围内，启动第二比较单元；所述第二比较单元将四个位置的传感器与对应的量程范围比较，当存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态不健康，当不存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态健康。实时上位机高速读取缓冲区中的数据，读取模块通过内置算法进行数据有效性、数据表决性判断，并以1ms为单位展开实时逻辑判读，判读四个关键部位的组合逻辑异常后，触发关机指令，通过高速IO传送至控制系统，在异常发现到实施处置可在10ms内实现。读取单元对压力数据的有效性进行判断，无效直接丢弃，判断下一帧数据，超出三帧无效后参数不参与判断。
依据发动机组件的液流试验数据及燃烧功能转换和功能平衡方程，计算得到预期状态下的参数阈值范围，主要关系为健康状态下，燃料泵出口压力＝发生器燃料喷前压力+额定流量阻力损失(通过液流试验获得)、氧化剂喷前压力＝发动机氧泵扬程通过液流试验获得的拟合关系式求得，推力室压力＝燃烧和泵功率平衡后压力方程计算得到。
本发明另一方面提供一种火箭发动机健康诊断方法，包括以下步骤：
(1)火箭发动机点火启动后，多个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力；
(2)读取四个位置的压力数据，分别与对应预设范围比较，如果均在预设范围内输出发动机状态健康，如果3个或4个不在预设范围内输出发动机状态不健康，如果1个或2个位置的压力数据不在预设范围内，则：将对应的传感器与对应的量程范围比较，当存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态不健康，当不存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态健康。
本发明对非产品异常状态侦知，影响发动机工作过程中部件参数的准确获知因素较多，涉及到测量点是否合理、传感器量程是否合理、传感器精度是否足够、传感器是否可靠等诸多影响因素，传感器是获取数据的直接窗口也是产生异常的最大可能，通过判断测量值是否超出传感器量程等方式，侦知异常状态属于发动机产品的真实状态还是其它外部影响因素造成的。
本发明利用系统中其它测量的参数，通过预置的数学模型中的联系，判断列入健康诊断判据的传感器测量参数是否在正常范围内，如果三个部位表征一致则认为工作状态不健康，反之则剔除单个或两个的警报状态，不实施具体动作。
综上所述，本发明涉及一种火箭发动机健康状态诊断系统及方法，火箭发动机点火启动后，多个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力；四个位置的压力数据，分别与对应预设范围比较，均在预设范围内输出发动机状态健康，均不在预设范围内输出发动机状态不健康，部分压力数据不在预设范围内，则：将四个位置的传感器与对应的量程范围比较，存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态不健康，不存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态健康。本发明以实时逻辑算法确定发动机工作状态是否正常，并在异常时快速触发控制系统指令，实现发动机的实时防护和可靠，降低试验风风险，保护发动机实物产品。应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (4)
1.一种火箭发动机健康诊断系统，其特征在于，包括多个压力传感器、调理设备、数字采集设备以及上位机；火箭发动机在地面试验时，发动机点火启动后，多个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力，经所述调理设备放大滤波后，由数字采集设备转换为数字信号后存入缓冲区；所述上位机包括读取单元、第一比较单元、第二比较单元；所述读取单元读取缓冲区的四个位置的压力数据；所述第一比较单元将四个位置的压力数据分别与对应预设范围比较，如果均在预设范围内输出发动机状态健康，如果至少3个超出预设范围内输出发动机状态不健康，如果1个或2个位置的压力数据不在预设范围内，启动第二比较单元；所述第二比较单元将不在预设范围的压力传感器与对应的量程范围比较，当存在不在量程范围内的压力传感器输出发动机状态不健康，当不存在不在量程范围内的压力传感器输出发动机状态健康；高速IO通信触发器，当判断发动机状态不健康，上位机通过高速IO通信触发器向火箭控制系统发送该发动机的关机指令；读取单元对压力数据的有效性进行判断，无效直接丢弃，判断下一帧数据，超出三帧无效后参数不参与判断；依据发动机组件的液流试验数据及燃烧功能转换和功能平衡方程，计算得到预期状态下的四个位置的压力预设范围，健康状态下，燃料泵出口压力＝发生器燃料喷前压力+额定流量阻力损失，发生器氧化剂喷前压力等于发动机氧泵扬程，推力室压力等于燃烧和泵功率平衡后的总压力。
2.根据权利要求1所述的火箭发动机健康诊断系统，其特征在于，当判断发动机状态不健康时进行紧急处理，压力传感器超出额定量程时判定压力传感器失效，失效压力传感器对应的压力数据退出诊断；至少3个超出预设范围时实时紧急关机，终止发动机热试车。
3.一种火箭发动机健康诊断方法，其特征在于，包括：
火箭发动机地面试验状态下点火启动后，多个压力传感器分别采集发动机燃料泵出口、发生器燃料喷前、发生器氧化剂喷前和推力室四个位置的压力；读取四个位置的压力数据，分别与对应预设范围比较，如果均在预设范围内输出发动机状态健康，如果至少3个超出预设范围内输出发动机状态不健康，如果1个或2个位置的压力数据不在预设范围内，则：将不在预设范围内的传感器与对应的量程范围比较，当存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态不健康，当不存在不在量程范围内的传感器输出发动机状态健康；各个压力传感器的阈值范围设定包括：依据发动机组件的液流试验数据及燃烧功能转换和功能平衡方程，计算得到预期状态下的四个位置的压力预设范围，健康状态下，燃料泵出口压力＝发生器燃料喷前压力+额定流量阻力损失，发生器氧化剂喷前压力等于发动机氧泵扬程，推力室压力等于燃烧和泵功率平衡后的总压力；当判断发动机状态不健康时进行紧急处理，压力传感器超出额定量程时判定压力传感器失效，失效压力传感器对应的压力数据退出诊断；至少三个超出预设范围时实时紧急关机，终止发动机热试车；还包括当判断发动机状态不健康，上位机通过IO口向火箭控制系统发送该发动机的关机指令。
4.根据权利要求3所述的火箭发动机健康诊断方法，其特征在于，对接收到压力数据的有效性进行判断，无效直接丢弃，判断下一帧数据，超出三帧无效后参数不参与判断。
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