載人運(yùn)載火箭待發(fā)段故障診斷技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

張晨光，胡昭昀，鄭立偉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

載人運(yùn)載火箭待發(fā)段故障診斷技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

張晨光，胡昭昀，鄭立偉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

運(yùn)載火箭待發(fā)段是火箭事故多發(fā)階段，為有效保證航天員的安全，針對(duì)載人運(yùn)載火箭待發(fā)段的特點(diǎn)，待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)設(shè)定了4種故障模式及判別準(zhǔn)則，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)這4種故障模式的有效診斷，為待發(fā)段航天員的逃逸救生提供有效實(shí)施途徑，可將故障發(fā)生時(shí)的損失降到最低。

載人運(yùn)載火箭；待發(fā)段；故障診斷

0 引 言

對(duì)于載人工程而言，航天員的生命安全需優(yōu)先考慮，這也是載人運(yùn)載火箭區(qū)別于其他火箭的顯著標(biāo)志。為保證航天員的生命安全，需要對(duì)火箭發(fā)射階段進(jìn)行全過(guò)程安全控制，必要時(shí)還需采取應(yīng)急救生措施。

待發(fā)段是指火箭發(fā)射前航天員進(jìn)艙至火箭起飛（含緊急關(guān)機(jī)）的時(shí)段，此時(shí)段飛船和火箭都已加注推進(jìn)劑，火工品和爆炸器已安裝連接到位。資料表明，待發(fā)段是一個(gè)事故多發(fā)的危險(xiǎn)時(shí)段，在待發(fā)段若相關(guān)過(guò)程存在故障，將引發(fā)關(guān)聯(lián)反應(yīng)，造成災(zāi)難性故障。蘇聯(lián)研制的聯(lián)盟T-10A飛船在發(fā)射前90 s由于推進(jìn)劑泄漏造成火箭著火并發(fā)生爆炸重大事故；美國(guó)航天曾經(jīng)發(fā)生過(guò)在待發(fā)段因電路問(wèn)題誘發(fā)火箭誤啟動(dòng)事故。因此，在待發(fā)段期間，及時(shí)、有效地診斷出火箭潛在故障并采取措施，為航天員生命安全保駕護(hù)航[1,2]。

根據(jù)中國(guó)載人運(yùn)載火箭總體要求，從射前30 min開(kāi)始進(jìn)行待發(fā)段故障診斷，并由逃逸控制臺(tái)實(shí)施逃逸控制，確保航天員生命安全[3,4]。

1 故障診斷系統(tǒng)組成和功能

待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)由主故障診斷計(jì)算機(jī)、副故障診斷計(jì)算機(jī)、遙測(cè)通信服務(wù)器、總體網(wǎng)通信服務(wù)器和逃逸控制臺(tái)等組成。在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，主故障診斷計(jì)算機(jī)接收遙測(cè)通信服務(wù)器和總體網(wǎng)通信服務(wù)器發(fā)送的相關(guān)參數(shù)信息，根據(jù)4種故障模式及判據(jù)實(shí)時(shí)診斷相關(guān)遙測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)實(shí)時(shí)診斷出某一故障發(fā)生時(shí)，逃逸告警或請(qǐng)求逃逸信號(hào)發(fā)送到逃逸控制臺(tái)，為了確保信息連接，在故障診斷計(jì)算機(jī)與逃逸控制臺(tái)之間相互傳遞鏈路檢查信息。作為冗余備份功能副故障診斷計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收主故障診斷計(jì)算機(jī)的診斷數(shù)據(jù)并鏈接信息，當(dāng)主故障診斷計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題后切換到副故障診斷計(jì)算機(jī)繼續(xù)執(zhí)行診斷任務(wù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障診斷軟件分別部署在主、副故障診斷計(jì)算機(jī)中，完成診斷及信息顯示功能。

系統(tǒng)組成及信息流如圖1所示[5]。

圖1 待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)組成示意

根據(jù)中國(guó)載人運(yùn)載火箭總體需求，待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)功能如下：

a）按照信息傳輸接口約定信息幀格式要求，實(shí)時(shí)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)、總體網(wǎng)數(shù)據(jù)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)值域判斷，剔除異常數(shù)據(jù)；

b）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障判據(jù)和門(mén)限對(duì)推進(jìn)劑泄漏、尾艙著火、火箭傾倒和緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗4種故障模式相關(guān)遙測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)診斷，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示診斷遙測(cè)數(shù)據(jù)、診斷判據(jù)結(jié)果等信息；

c）當(dāng)實(shí)時(shí)診斷故障發(fā)生，確認(rèn)診斷結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)后，“逃逸告警”或“請(qǐng)求逃逸”信號(hào)發(fā)送到逃逸控制臺(tái)，并與逃逸控制臺(tái)進(jìn)行鏈路檢查[4]。

2 待發(fā)段故障模式及流程

在待發(fā)段威脅航天員生命安全火箭故障模式有推進(jìn)劑泄漏、尾艙著火、緊急關(guān)機(jī)后箭體傾倒和緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗等4種模式（簡(jiǎn)稱(chēng)模式1至模式4）。

根據(jù)總體要求及測(cè)試數(shù)據(jù)組成內(nèi)容，4種故障模式診斷過(guò)程需要按照一定流程執(zhí)行。待發(fā)段故障診斷流程如圖2所示。

圖2 待發(fā)段故障診斷流程

a）推進(jìn)劑泄漏（模式1）。一般情況下為推進(jìn)劑滲漏，對(duì)火箭結(jié)構(gòu)不會(huì)造成破壞[2]。若發(fā)生閥門(mén)啟動(dòng)或誤啟動(dòng)等重大事故時(shí)，大量推進(jìn)劑泄漏或貯箱氣枕大量氣體逸出，就造成貯箱壓力下降，貯箱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。發(fā)生此故障模式的過(guò)程比較緩慢，一般此過(guò)程發(fā)生的時(shí)段是推進(jìn)劑加注后至火箭點(diǎn)火前。

b）尾艙著火（模式2）。火箭加注推進(jìn)劑后，若不同推進(jìn)劑同時(shí)泄漏并在艙內(nèi)或艙外發(fā)生接觸，就會(huì)產(chǎn)生燃燒著火，或是在艙內(nèi)氧化劑泄漏后與可燃物質(zhì)接觸也會(huì)產(chǎn)生燃燒。發(fā)生此故障模式的過(guò)程比較緩慢，發(fā)生的時(shí)段是加注后至火箭點(diǎn)火前。

c）緊急關(guān)機(jī)后箭體傾倒（模式3）。火箭緊急關(guān)機(jī)后，由于穩(wěn)定原因火箭會(huì)發(fā)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致某一或更多支點(diǎn)脫離發(fā)射平臺(tái)支座支撐。發(fā)生此故障模式的過(guò)程比較快，約T秒后火箭倒地，發(fā)生的時(shí)段為火箭點(diǎn)火（未正常起飛）至緊急關(guān)機(jī)后。

d）緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗（模式4）?；鸺l(fā)出緊急關(guān)機(jī)指令后，在要求時(shí)間內(nèi)控制系統(tǒng)未能將箭上火工品斷電而發(fā)生故障。此故障在緊急關(guān)機(jī)T1秒以后才確定，T2秒內(nèi)必須完成逃逸[6]。

3 待發(fā)段故障診斷軟件設(shè)計(jì)

待發(fā)段故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)了待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)，火箭待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)與逃逸控制臺(tái)的信息通信通過(guò)此軟件完成，通過(guò)實(shí)時(shí)診斷完成待發(fā)段航天員逃逸救生診斷、指揮與控制；軟件完成了判據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收處理、實(shí)時(shí)故障診斷和發(fā)送逃逸信息等功能。為了確保待發(fā)段故障診斷的可靠性，軟件設(shè)計(jì)采用相關(guān)冗余技術(shù)。主故障診斷計(jì)算機(jī)執(zhí)行診斷模式，副故障診斷計(jì)算機(jī)執(zhí)行顯示模式，在軟件運(yùn)行診斷模式下顯示模式為備份狀態(tài)不能執(zhí)行任何操作，但是各種相關(guān)信息在2種模式顯示均為同步狀態(tài)，當(dāng)主故障診斷計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，副故障診斷計(jì)算機(jī)顯示模式切換為診斷模式，繼續(xù)執(zhí)行待發(fā)段診斷任務(wù)。通過(guò)冗余設(shè)計(jì)，提高待發(fā)段故障診斷可靠性提高，有效保證航天員的安全。待發(fā)段故障診斷軟件設(shè)計(jì)如圖3所示[4]。

診斷模式下，軟件實(shí)時(shí)接收遙測(cè)通信服務(wù)器數(shù)據(jù)，按照判別準(zhǔn)則進(jìn)行故障診斷并顯示參數(shù)信息和診斷結(jié)果，通過(guò)總體網(wǎng)通信服務(wù)器接收故障檢測(cè)系統(tǒng)“允許逃逸”指令并向逃逸控制臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)發(fā)出“逃逸告警”或“請(qǐng)求逃逸”信號(hào)。診斷模式同時(shí)將所有信息同步至副故障診斷計(jì)算機(jī)。

圖3 待發(fā)段故障診斷軟件設(shè)計(jì)示意

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 故障模式判別準(zhǔn)則[7]

4.1.1 推進(jìn)劑泄漏故障判別準(zhǔn)則

a）判別參數(shù)：判斷貯箱壓力。共A個(gè)貯箱，每個(gè)貯箱兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共2A個(gè)遙測(cè)參數(shù)。

b）判別準(zhǔn)則：A個(gè)貯箱分別獨(dú)立進(jìn)行判斷；同一組測(cè)點(diǎn)的2個(gè)壓力為1組參數(shù)，當(dāng)2個(gè)壓力同時(shí)超過(guò)報(bào)警限或故障限，則表示該組參數(shù)異常；當(dāng)某組貯箱壓力下降到報(bào)警限，則認(rèn)為“箱壓到達(dá)報(bào)警限”；當(dāng)某組貯箱壓下降到故障限，則認(rèn)為“箱壓到達(dá)故障限”[4]。

4.1.2 著火故障判別準(zhǔn)則

a）判別參數(shù)：判斷尾段的溫度、熱流。共B個(gè)尾段，每個(gè)尾段3組，共6B個(gè)遙測(cè)參數(shù)。

b）判別準(zhǔn)則：B個(gè)尾段分別獨(dú)立進(jìn)行判斷；同一測(cè)量點(diǎn)的溫度、熱流為1組參數(shù)，每個(gè)尾段3組；

1組參數(shù)中，溫度、熱流同時(shí)超過(guò)故障限，表示該組參數(shù)異常；3組參數(shù)中，至少2組參數(shù)異常則認(rèn)為該尾段發(fā)生著火故障。

4.1.3 緊急關(guān)機(jī)后火箭傾倒故障判別準(zhǔn)則

a）判別參數(shù)：判斷雙慣組的俯仰不水平度和偏航不水平度，共4個(gè)參數(shù)。

b）判別準(zhǔn)則：緊急關(guān)機(jī)發(fā)出后，2個(gè)慣組的俯仰不水平度同時(shí)超過(guò)故障限，則認(rèn)為俯仰不水平度異常；2個(gè)慣組的偏航不水平度同時(shí)超過(guò)故障限，則認(rèn)為偏航不水平度異常。

4.1.4 緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗判別準(zhǔn)則

a）判別參數(shù)：判斷控制系統(tǒng)電池電壓，共3個(gè)遙測(cè)參數(shù)。

b）判別準(zhǔn)則：緊急關(guān)機(jī)發(fā)出后，電池1電壓超過(guò)報(bào)警線同時(shí)電池2電壓和電池3電壓其中之一超過(guò)報(bào)警線，在T1～T2秒期間，則認(rèn)為控制系統(tǒng)斷電失敗。

4.2 軟件診斷實(shí)施方法

4.2.1 推進(jìn)劑泄漏故障診斷實(shí)施方法

a）實(shí)施方法：如果連續(xù)3次診斷出“箱壓到達(dá)報(bào)警限”，或1次“箱壓到達(dá)報(bào)警限”、2次“箱壓到達(dá)故障限”，或2次“箱壓到達(dá)報(bào)警限”、1次“箱壓到達(dá)故障限”，則報(bào)“箱壓到達(dá)報(bào)警限”并發(fā)出逃逸告警。如果連續(xù)3次診斷出“箱壓到達(dá)故障限”，則報(bào)“箱壓到達(dá)故障限”并請(qǐng)求逃逸。

b）執(zhí)行案例：以助推一級(jí)燃料箱為例，推進(jìn)劑泄漏故障診斷實(shí)施方法原理如圖4所示。

圖4 推進(jìn)劑泄漏故障診斷實(shí)施方法原理

4.2.2 著火故障診斷實(shí)施方法

a）實(shí)施方法：如果連續(xù)3次診斷出“尾段發(fā)生著火故障”，則報(bào)“尾段發(fā)生著火故障”并請(qǐng)求逃逸。

b）執(zhí)行案例：以助推1為例，著火故障診斷實(shí)施方法原理如圖5所示。

圖5 著火故障診斷實(shí)施方法原理

4.2.3 緊急關(guān)機(jī)后火箭傾倒故障診斷實(shí)施方法

a）實(shí)施方法：如果連續(xù)3次診斷出“緊急關(guān)機(jī)信號(hào)”則認(rèn)為“緊急關(guān)機(jī)信號(hào)”發(fā)出。如果連續(xù)3次診斷出“不水平度超過(guò)故障限”，則報(bào)“火箭傾倒”故障并請(qǐng)求逃逸。

b）執(zhí)行案例：緊急關(guān)機(jī)后火箭傾倒故障診斷實(shí)施方法原理如圖6所示。

圖6 火箭傾倒故障診斷實(shí)施方法原理

4.2.4 緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗故障診斷實(shí)施方法

a）實(shí)施方法：如果連續(xù)3次診斷出“緊急關(guān)機(jī)信號(hào)”則認(rèn)為“緊急關(guān)機(jī)信號(hào)”發(fā)出，電池1電壓連續(xù)三幀超限同時(shí)電池2電壓、電池3電壓其中之一連續(xù)三幀超限，在T1～T2秒期間，報(bào)“緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗”故障并請(qǐng)求逃逸。

b）執(zhí)行案例：緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗故障診斷實(shí)施方法原理如圖7所示。

圖7 緊急關(guān)機(jī)后控制系統(tǒng)斷電失敗故障診斷實(shí)施方法原理

4.3 信息重傳驗(yàn)證傳輸方法

待發(fā)段故障診斷系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)、故障檢測(cè)數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果等信息傳輸，為了確保信息傳輸?shù)目煽?、?zhǔn)確和可追溯，以UDP協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了信息報(bào)文傳輸驗(yàn)證方法，通過(guò)3次確認(rèn)幀超時(shí)重發(fā)機(jī)制，確保在一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性，解決了以太網(wǎng)信息傳輸時(shí)間的不確定性問(wèn)題。

信息報(bào)文傳輸驗(yàn)證方法如圖8所示[4]。

圖8 信息報(bào)文傳輸驗(yàn)證方法示意

5 結(jié)束語(yǔ)

載人運(yùn)載火箭待發(fā)段故障診斷技術(shù)，已成功應(yīng)用于中國(guó)載人運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)中，系統(tǒng)工作正常、可靠，提高了載人運(yùn)載火箭的可靠性和安全性，為航天員生命安全保駕護(hù)航。

根據(jù)中國(guó)載人運(yùn)載火箭發(fā)射前工作特點(diǎn)提煉出的4種故障模式也能夠應(yīng)用于其他在研運(yùn)載火箭待發(fā)段故障診斷，但是隨著現(xiàn)代運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展，需要進(jìn)一步提煉和完善。

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圖7 加速度計(jì)溫度補(bǔ)償后輸出

4 結(jié) 論

溫度變化對(duì)光纖慣組的陀螺儀和加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)和零偏影響顯著。本文利用光纖慣組的陀螺儀和加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)和零偏和溫度變化曲線，提出了一種通過(guò)純數(shù)學(xué)的溫度補(bǔ)償方法，通過(guò)建立光纖陀螺與加速度計(jì)的溫度模型，對(duì)其溫度漂移誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，由于該方法不增加硬件成本，補(bǔ)償效果明顯，是提高系統(tǒng)精度的重要途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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Study on Fault Diagnosis Technology of Manned Launch Vehicle in Waiting-for-lift-off Phase

Zhang Chen-guang, Hu Zhao-yun, Zheng Li-wei
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

It is accident-prone in the waiting-for-lift-off phase for manned launch vehicle. To effectively guarantee the safety of the astronauts, four failure modes can be diagnosed via software based on established judgment guidelines which aimed at these four failure modes. This technology provides an effective way to escape from the adversity for space astronauts, minimizes losses caused by failure and guarantees the success of the launch of the manned vehicle.

Manned launch vehicle; Waiting-for-lift-off Phase; Fault diagnosis

V417+.3

A

1004-7182(2016)04-0051-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20140413

2014-08-08；

2015-03-05

張晨光（1973-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庀到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)