氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件研制階段可靠性技術(shù)綜述

王 博，蔣 平，趙 騫，鄭孟偉

(1. 國(guó)防科技大學(xué) 系統(tǒng)工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.國(guó)防科技大學(xué) 信息通信學(xué)院，陜西 西安 710106；3. 北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為火箭系統(tǒng)的“心臟”，必須具備高可靠性，否則將會(huì)導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗，威脅人員安全，造成不可估量的嚴(yán)重?fù)p失。如果能在研制階段準(zhǔn)確評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，盡早發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，就能夠避免通過(guò)試車暴露問(wèn)題—返工—再試車的惡性循環(huán)，從而保證研制進(jìn)度、節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)。目前，我國(guó)已啟動(dòng)重型運(yùn)載火箭與火星探測(cè)等一批新的重大科技項(xiàng)目和重大工程，多種型號(hào)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制也在同步推進(jìn)，如何保證研制出的型號(hào)具備高可靠性也備受關(guān)注。

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性很大程度上取決于對(duì)其有重要影響的關(guān)鍵組件的可靠性。在研制階段，從失效機(jī)理和故障模式入手，保證渦輪泵、推力室、閥門等重要組件的可靠性，自下而上提高系統(tǒng)可靠性是保證氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的有效途徑。同時(shí)，從組件到系統(tǒng)都會(huì)開(kāi)展試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性，試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┛煽啃栽u(píng)估所需要的數(shù)據(jù)。因此，基于研制階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果查找薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，也是保證氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的重要途徑。

本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)行綜述，第2節(jié)總結(jié)了基于渦輪泵、推力室、閥門、密封件等關(guān)鍵部件失效機(jī)理的可靠性工作方法；第3節(jié)根據(jù)組件研制試驗(yàn)類型多、樣本小、極少失效的特點(diǎn)，歸納了現(xiàn)有應(yīng)用于組件的可靠性評(píng)估方法；第4節(jié)在前兩節(jié)的基礎(chǔ)上探討了氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性工作存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展方向。

1 氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是世界火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。液氫是重要的高能低溫液體火箭燃料。在產(chǎn)生相同能量的前提下，體積小、重量最輕，無(wú)污染。氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、閥門與調(diào)節(jié)器及發(fā)動(dòng)機(jī)總裝元件等組成。氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的故障就是一個(gè)或多個(gè)組件的故障。組件的可靠性是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的基本保證，影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的關(guān)鍵組件包括：渦輪泵、推力室、閥門以及密封件。

渦輪泵主要由渦輪、泵、轉(zhuǎn)子和軸承等組件組成，渦輪工作于高溫、高壓和高速條件下；泵工作在低溫、高壓和高速的推進(jìn)劑中。同時(shí)，渦輪泵還是氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要激振源之一。渦輪泵和推力室的壽命常用威布爾分布進(jìn)行描述。閥門是典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，屬于成敗型產(chǎn)品，可靠工作次數(shù)分布規(guī)律同樣符合威布爾分布。密封件起著隔離介質(zhì)和壓力腔的作用，包括靜密封和動(dòng)密封，對(duì)于防止介質(zhì)外漏或控制介質(zhì)內(nèi)漏起著重要作用。其中，動(dòng)密封是控制渦輪泵內(nèi)泄的關(guān)鍵組件，對(duì)渦輪泵的效率和轉(zhuǎn)子振動(dòng)具有重要意義，一旦失效將嚴(yán)重影響渦輪泵的運(yùn)行，導(dǎo)致重大的事故。

2 基于失效機(jī)理的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件可靠性工作方法

2.1 渦輪泵可靠性工作方法

渦輪泵的可靠性工作主要是對(duì)它的失效機(jī)理和故障模式開(kāi)展研究。渦輪泵自身的異常振動(dòng)是反映其故障的重要表現(xiàn)形式之一，例如基于振動(dòng)信號(hào)開(kāi)展故障檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)特征的選擇提取和信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)渦輪泵的故障定位。信號(hào)特征提取主要集中在三個(gè)方面：特征集降維處理、時(shí)域特征選擇與提取和頻域特征選擇與提取。在信號(hào)處理方面，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展大量基于固定閾值、自適應(yīng)閾值等方法的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)與診斷算法研究。針對(duì)實(shí)時(shí)故障檢測(cè)，一般采用固定閾值的紅線報(bào)警方法，但該方法有時(shí)存在虛警和漏警的現(xiàn)象。自適應(yīng)閾值算法主要包括自適應(yīng)閾值算法(ATA)和自適應(yīng)相關(guān)算法(ACA)等故障檢測(cè)方法，目前還存在算法訓(xùn)練效率不高、信號(hào)特征不夠理想和閾值隨異常數(shù)據(jù)自適應(yīng)變化等問(wèn)題。

渦輪葉片是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的零件，也是減損與延壽控制技術(shù)中的關(guān)鍵組件。由于很難得到渦輪葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的解析解，在實(shí)際的分析中往往應(yīng)用有限元分析法來(lái)求解其數(shù)值解，依此評(píng)估渦輪葉片壽命，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)和分析。如何在了解渦輪葉片損傷模式與機(jī)理、研究渦輪葉片載荷譜的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采取恰當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，保證葉片可靠性水平，是氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵研制過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題。

預(yù)測(cè)軸承疲勞壽命的壽命模型和基于加速退化試驗(yàn)的可靠性評(píng)估方法已經(jīng)趨于多樣、成熟。但對(duì)軸承內(nèi)部載荷分布、接觸表面和次表面的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真和計(jì)算還需要進(jìn)一步的研究。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，軸承的性能和壽命考核通常采用模擬介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中軸承轉(zhuǎn)速的變化情況、試驗(yàn)后樣本的完整性評(píng)估來(lái)判斷軸承性能，定量求解流體潤(rùn)滑雷諾方程，或者對(duì)不同介質(zhì)下軸承的靜態(tài)性能特性進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)，鄭繼坤強(qiáng)調(diào)軸承的不正確使用導(dǎo)致的故障比軸承自身設(shè)計(jì)、生產(chǎn)質(zhì)量導(dǎo)致的故障要多，因此需要在設(shè)計(jì)階段考慮周全、結(jié)構(gòu)上采取保證措施、正確裝配和使用以及充分的相關(guān)介質(zhì)試驗(yàn)來(lái)確保軸承的正確工作條件。

2.2 推力室可靠性工作方法

局部冷卻性能差、釬焊缺陷、通道堵塞等是推力室發(fā)生故障的主要原因。

推力室由推進(jìn)劑噴注器、燃燒室、噴管等組成。氫氧火箭推進(jìn)劑通過(guò)噴注器按一定流量和混合比進(jìn)入燃燒室霧化、混合和燃燒。噴注過(guò)程對(duì)燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性有重要影響，如果噴注不均勻，會(huì)影響噴嘴結(jié)構(gòu)的可靠性，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致噴嘴燒蝕。為保證燃燒室的可靠工作，推進(jìn)劑中的一部分流經(jīng)冷卻套，帶走壁上高溫燃?xì)鈳?lái)的熱量。再生冷卻通道一側(cè)承受高溫燃?xì)?，一?cè)流經(jīng)低溫冷卻劑，同時(shí)冷卻通道兩側(cè)的壓力差使推力室室壁承受機(jī)械載荷，致使推力室室壁工作在極限狀態(tài)附近。因此，在進(jìn)行推力室可靠性強(qiáng)化時(shí)需要充分考慮材料、環(huán)境等因素的影響，Krishnaveni等在給定可靠性要求下提出推力室的壓力安全因子確定方法，通過(guò)該方法可以確定推力室不發(fā)生故障的壓力上限。

目前主要借助三維計(jì)算流體力學(xué)方法(Computational Fluid Dynamics，CFD)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)推力室內(nèi)部流場(chǎng)，分析造成噴注不均勻的原因，進(jìn)而提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施與意見(jiàn)；同時(shí)觀察燃?xì)鈪?shù)和冷卻液參數(shù)的變化，進(jìn)行熱傳數(shù)據(jù)的評(píng)估研究以及冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.3 閥門可靠性工作方法

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門的基本性能要求包括：強(qiáng)度性能、密封性能和總體動(dòng)作性能，主要故障模式有閥門啟動(dòng)(關(guān)閉)失靈、卡滯、閥門污染(泄露)。在低溫環(huán)境試驗(yàn)中，閥門更容易發(fā)生卡滯、卡死故障，王志等針對(duì)閥門的拒動(dòng)、卡滯故障模式，提煉出識(shí)別閥門開(kāi)關(guān)動(dòng)作狀態(tài)的指標(biāo)。閥門泄露檢測(cè)手段的研究是極具現(xiàn)實(shí)意義的工作。傳統(tǒng)的閥門密封性能檢測(cè)手段是“閥門泄漏量氣泡法”，根據(jù)試驗(yàn)中出現(xiàn)氣泡的數(shù)量和時(shí)間計(jì)算漏率。但是存在計(jì)算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，精度不高的隱患。在實(shí)際制造試驗(yàn)中，謝建超等改進(jìn)技術(shù)缺陷，提出已經(jīng)獲得專家認(rèn)可的“閥門泄漏量差壓檢漏技術(shù)”。

為了保證閥門的可靠性，在研制過(guò)程中通常采取強(qiáng)度、密封、總體動(dòng)作試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，這些試驗(yàn)已經(jīng)形成規(guī)范。但是，依據(jù)不同類型試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估閥門的可靠性水平，還有待深入研究。

2.4 密封件可靠性工作方法

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封件的研究成果較為豐碩，但是關(guān)于氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封件的文獻(xiàn)相對(duì)較少。密封件的可靠性與其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是保證密封性能和可靠性的關(guān)鍵。密封包括錐面法蘭密封、球面法蘭密封、徑向密封和間隙密封等。目前，主要借助有限元方法進(jìn)行密封設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性分析。此外，基于有限元方法也可以進(jìn)行密封件的溫度場(chǎng)和熱載變形的計(jì)算，幫助改進(jìn)密封設(shè)計(jì)，總結(jié)端面溫度的分布規(guī)律以及密封環(huán)內(nèi)溫度變化趨勢(shì)。

3 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件可靠性評(píng)估

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是集機(jī)、電、控、化等多學(xué)科于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，工作過(guò)程也非常復(fù)雜。為了在組件研制過(guò)程中保證其高可靠性，國(guó)內(nèi)外普遍采用各種研制試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估組件的可靠性，根據(jù)評(píng)估結(jié)果查找薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證高可靠性水平，是組件可靠性工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。但是，組件的研制試驗(yàn)類型多、樣本小、極少失效，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的組件可靠性評(píng)估尚待深入的研究和實(shí)踐。

3.1 小子樣、無(wú)失效壽命數(shù)據(jù)的評(píng)估

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件生產(chǎn)批量小，因此，研制試驗(yàn)的樣本量小、試驗(yàn)時(shí)間短，常常出現(xiàn)極少失效甚至無(wú)失效的現(xiàn)象。這些特點(diǎn)決定了氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件可靠性評(píng)估難以采用傳統(tǒng)的基于大樣本壽命數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估方法。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，如何進(jìn)行高可靠產(chǎn)品在無(wú)失效條件下的可靠性評(píng)估，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。但通過(guò)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組件研制試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展可靠性評(píng)估，尚未形成適用的規(guī)范。

貝葉斯方法將樣本壽命數(shù)據(jù)與各類先驗(yàn)信息結(jié)合起來(lái)，修正參數(shù)估計(jì)的結(jié)果，同時(shí)需要的樣本量相對(duì)來(lái)說(shuō)也更少一些，是目前處理小子樣、無(wú)失效數(shù)據(jù)問(wèn)題的主流方法，已經(jīng)應(yīng)用于氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其組件的可靠性評(píng)估中。首先需要基于先驗(yàn)信息給出參數(shù)的先驗(yàn)分布，再根據(jù)傳統(tǒng)貝葉斯、多層貝葉斯、E-Bayes等一系列的貝葉斯方法得到參數(shù)的驗(yàn)后分布。先驗(yàn)分布的選擇是極其關(guān)鍵的一步，由于發(fā)動(dòng)機(jī)組件研制階段的小子樣、無(wú)失效或極少失效的特點(diǎn)，驗(yàn)后分布對(duì)先驗(yàn)分布的選擇將會(huì)非常敏感。

目前的研究中大都選擇失效概率作為待估參數(shù)，常用的確定失效概率的方法包括經(jīng)典法(經(jīng)驗(yàn)公式)和貝葉斯方法，再用最小二乘法擬合壽命分布，完成無(wú)失效數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估。較為常用的累積頻率經(jīng)驗(yàn)公式(失效概率)有貝葉斯方法需要首先確定失效概率的先驗(yàn)分布，姜祥周、茆詩(shī)松和Bremerman等基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)分別選擇了不同的先驗(yàn)分布，此外也可以用減函數(shù)構(gòu)建失效概率的先驗(yàn)分布，然后推導(dǎo)失效概率的貝葉斯驗(yàn)后分布，計(jì)算點(diǎn)估計(jì)值。在使用最小二乘法時(shí)，不同的加權(quán)方法也會(huì)帶來(lái)不同的評(píng)估效果，為了進(jìn)一步提高評(píng)估精度，國(guó)內(nèi)外對(duì)此也做了大量研究。

徐彬娟根據(jù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門的三種研制試驗(yàn)類型和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出一種融合三類試驗(yàn)結(jié)果的可靠性預(yù)測(cè)方法，將貝葉斯方法運(yùn)用于無(wú)失效數(shù)據(jù)的評(píng)估過(guò)程中。胡丹丹總結(jié)了無(wú)失效條件下的可靠性評(píng)估方法，討論了發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的壽命分布參數(shù)不同取值對(duì)可靠性評(píng)估結(jié)果的影響。總得來(lái)說(shuō)，基于小子樣壽命數(shù)據(jù)的評(píng)估方法在氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件可靠性評(píng)估中應(yīng)用較少。

3.2 考慮可靠性增長(zhǎng)的可靠性評(píng)估

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件在研制過(guò)程中通常要經(jīng)歷多個(gè)階段的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。因此，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)講，不同階段的組件并非同一總體。如果考慮充分利用研制過(guò)程各階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估組件可靠性，可以借鑒可靠性增長(zhǎng)的概念?？煽啃栽鲩L(zhǎng)是可靠性理論研究的三大方向之一，國(guó)內(nèi)外可靠性增長(zhǎng)的研究方興未艾。可靠性增長(zhǎng)模型研究和實(shí)踐目前有兩個(gè)方向，分別是通過(guò)傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法和貝葉斯方法，來(lái)建立可靠性增長(zhǎng)模型。

傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法已經(jīng)趨于成熟，其中以Duane模型和AMSAA模型為代表的通用模型具有廣泛的適用性。但這些模型不能進(jìn)行分階段的可靠性增長(zhǎng)估計(jì)，也不能充分利用已有的試驗(yàn)信息和其他相關(guān)信息。此外，在Duane模型和AMSAA模型的基礎(chǔ)上，蔡忠義等提出一種基于研制階段變總體變環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性綜合評(píng)估方法與模型；王華偉根據(jù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，建立了基于增長(zhǎng)數(shù)據(jù)折合的可靠性增長(zhǎng)模型；馮靜等提出了一種新的基于修正似然函數(shù)的可靠性增長(zhǎng)分析方法，在一定程度上解決了無(wú)失效數(shù)據(jù)情形下的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性增長(zhǎng)分析問(wèn)題。

貝葉斯可靠性增長(zhǎng)模型包括Smith提出的二項(xiàng)式可靠性增長(zhǎng)貝葉斯模型，Gross的三項(xiàng)可靠性模型，周源泉的指數(shù)可靠性增長(zhǎng)貝葉斯模型等。王華偉等提出的雙參數(shù)Bayes可靠性增長(zhǎng)模型、基于增長(zhǎng)數(shù)據(jù)折合的指數(shù)分布可靠性增長(zhǎng)模型，能在小子樣情況下指導(dǎo)航天產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃的制定。劉琦等在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)批次試驗(yàn)中，運(yùn)用Compertz模型和線性回歸方法分析可靠性增長(zhǎng)因子，然后建立動(dòng)態(tài)參數(shù)的遞推估計(jì)模型。目前的貝葉斯模型雖然可用于分階段的可靠性增長(zhǎng)，但這些模型常選取無(wú)信息先驗(yàn)分布，以避免對(duì)先驗(yàn)分布的爭(zhēng)議，這樣做事實(shí)上沒(méi)有充分利用先驗(yàn)信息，沒(méi)有真正發(fā)揮貝葉斯方法的優(yōu)勢(shì)。先驗(yàn)分布的確定和驗(yàn)后推斷計(jì)算是貝葉斯可靠性增長(zhǎng)領(lǐng)域的兩大問(wèn)題。對(duì)先驗(yàn)分布的研究包括Jeffreys無(wú)信息先驗(yàn)分布、Raiffa和Schlaifer的共軛先驗(yàn)分布、Jaynes的最大熵先驗(yàn)分布，以及Lindley的多階段先驗(yàn)分布。相應(yīng)地，目前的先驗(yàn)分布確定方法有無(wú)信息先驗(yàn)、用歷史數(shù)據(jù)確定先驗(yàn)分布、共軛先驗(yàn)以及運(yùn)用自助采樣(Bootstrap)方法和隨機(jī)加權(quán)法確定先驗(yàn)分布。驗(yàn)后量計(jì)算可歸結(jié)為驗(yàn)后分布積分計(jì)算，例如Gibbs抽樣法，取舍抽樣法等。在氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件的貝葉斯可靠性增長(zhǎng)評(píng)估中，如何選擇適用的先驗(yàn)分布來(lái)評(píng)估組件的可靠性，既能避免主觀的干擾，又能充分利用前面階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是一個(gè)值得探索的重要問(wèn)題。

3.3 考慮多源信息融合的可靠性評(píng)估

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件的研制試驗(yàn)類型多，例如閥門就有溫度、打壓、動(dòng)作、振動(dòng)等不同類別的試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型也各不相同。同時(shí)，很多型號(hào)研制過(guò)程中有老型號(hào)的相關(guān)信息、專家判斷等信息，這些都可以看作是當(dāng)前組件的多源信息。比如，研制過(guò)程中不斷改進(jìn)的產(chǎn)品，與改進(jìn)前的產(chǎn)品可靠性之間存在密切聯(lián)系，用不可靠度比率δ可以描述這種可靠性關(guān)系。這一重要參數(shù)信息可構(gòu)造可靠性的先驗(yàn)分布。更為廣泛的，還可以用繼承因子的概念將先前型號(hào)產(chǎn)品和相似產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)、可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)融入樣本產(chǎn)品的可靠性評(píng)估過(guò)程。在實(shí)際的可靠性工程中，專家的判斷是非常重要的，因?yàn)樗赡苁浅松倭吭囼?yàn)數(shù)據(jù)以外唯一的信息來(lái)源。比如由專家判斷給出參數(shù)或超參數(shù)的取值范圍，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)估計(jì)樣本壽命等。

按照貝葉斯理論，將來(lái)源于不同途徑，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)信息一致的多源信息轉(zhuǎn)化為先驗(yàn)分布，完成多源信息的融合，可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)組件可靠性評(píng)估結(jié)果的精度。

現(xiàn)有的融合方法包括加權(quán)融合、環(huán)境因子融合和多階段變總體融合。針對(duì)同一狀態(tài)產(chǎn)品的加權(quán)融合應(yīng)用極為廣泛，如基于可信度的融合、基于相關(guān)函數(shù)的融合、專家設(shè)定權(quán)重、基于模糊邏輯算子的融合等。產(chǎn)品在不同環(huán)境下的試驗(yàn)信息的融合——環(huán)境因子融合可以基于統(tǒng)計(jì)推斷、預(yù)測(cè)技術(shù)、加速壽命試驗(yàn)衍生出不同的處理方法。產(chǎn)品在研制過(guò)程中各階段試驗(yàn)信息的融合是多階段變總體融合，也可看作可靠性增長(zhǎng)。融合可靠性增長(zhǎng)全程試驗(yàn)信息進(jìn)行小子樣產(chǎn)品可靠性評(píng)定時(shí)，通常有兩條途徑：一是利用全程信息設(shè)法得到可靠性評(píng)定模型的參數(shù)估計(jì)，達(dá)到增長(zhǎng)信息融合的目的；二是直接利用可靠性增長(zhǎng)信息建立系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)模型，從而實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)信息的融合。

根據(jù)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程的不同數(shù)據(jù)類型，探索不同類型、不同體量的數(shù)據(jù)之間的融合方法是一大重要課題。

4 存在的問(wèn)題

基于失效機(jī)理的組件可靠性工作方法已經(jīng)得到了充足的發(fā)展，為提高氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性做出了巨大貢獻(xiàn)，但在工程實(shí)際中還存在以下問(wèn)題：

1)渦輪泵的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)間的次同步振動(dòng)、燃燒室內(nèi)的高頻不穩(wěn)定燃燒，以及造成的全箭振動(dòng)，如火箭結(jié)構(gòu)與推進(jìn)系統(tǒng)間的縱向耦合振動(dòng)、伺服系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)間的耦合振動(dòng)，是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的重要原因。因此，應(yīng)該進(jìn)一步深入開(kāi)展渦輪泵故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)研究，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)特征的選擇提取和信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)渦輪泵的故障定位，在研制試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，定位薄弱環(huán)節(jié)，為以后的設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供客觀依據(jù)。

2)工程要求軸承的軸向力調(diào)節(jié)裝置必須具有自適應(yīng)功能，且平衡范圍大，具有足夠高的靈敏度。美、歐、日開(kāi)展了以流體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的動(dòng)靜壓軸承研究，其中靜壓軸承已經(jīng)應(yīng)用于航天飛機(jī)。預(yù)測(cè)軸承疲勞壽命的壽命模型和基于加速退化試驗(yàn)的可靠性評(píng)估方法已經(jīng)趨于多樣、成熟，在軸承可靠性工作中加強(qiáng)新方法的應(yīng)用是提高軸承可靠性的重要途經(jīng)之一。

3)閥門的強(qiáng)度、密封、動(dòng)作試驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)日益成熟。依據(jù)不同類型試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可靠性的綜合評(píng)估，對(duì)未來(lái)閥門可靠性工作的研究重點(diǎn)。

4)密封面尺寸越大，在發(fā)動(dòng)機(jī)影響下產(chǎn)生的熱變形會(huì)使得不平面度控制越發(fā)困難。為提高密封件可靠性，一方面需要改進(jìn)密封設(shè)計(jì)，另一方面也需要選擇更合適的材料。此外，也可通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封件不平面度誤差實(shí)施檢測(cè)的專用裝置設(shè)計(jì)、測(cè)量、平面度判讀等方法的探索和完善，保證密封件的可靠性。

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)從需求分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就確定了組件的高可靠性要求，而且組件的研制試驗(yàn)中，能夠投入的樣本量往往很小。同時(shí)，受到研制經(jīng)費(fèi)和研制時(shí)間的限制，在組件的研制試驗(yàn)中不可能總是得到完全樣本，通常是在到達(dá)給定的截尾時(shí)間時(shí)停止試驗(yàn)，容易出現(xiàn)極少失效甚至無(wú)失效的數(shù)據(jù)。因此，小子樣、極少失效的研制試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難直接用于組件的可靠性評(píng)估，現(xiàn)有的組件研制階段的可靠性工作大都局限于失效機(jī)理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，以及針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的設(shè)計(jì)強(qiáng)化，缺乏定量的可靠性評(píng)估結(jié)果的支持。對(duì)組件各種類型的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的研究所存在問(wèn)題：

1)需要研究從多源信息融合的角度，通過(guò)失效機(jī)理分析，提出對(duì)不同類型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法；

2)需要探討小子樣、極少失效甚至無(wú)失效數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估方法在組件可靠性評(píng)估中的應(yīng)用；

3)需要研究多源信息融合的評(píng)估方法應(yīng)用于組件可靠性評(píng)估，以減少單純依靠無(wú)失效數(shù)據(jù)的評(píng)估可能帶來(lái)的結(jié)論不可驗(yàn)證性和不可信任性，提高評(píng)估結(jié)果的可信度；4)根據(jù)不同階段研制試驗(yàn)和評(píng)估結(jié)果來(lái)制定和調(diào)整組件的可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃，作為氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件研制階段的重要工作，不僅可以實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的量化和監(jiān)管，還能分析提供故障糾正措施以及確保糾正措施的有效性，是今后氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件可靠性工作的重點(diǎn)方向之一。

5 總結(jié)

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性很大程度上取決于對(duì)其有重要影響的關(guān)鍵組件的可靠性，分析重要組件的可靠性、故障模式和失效機(jī)理，自下而上提高產(chǎn)品可靠性是保證氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的有效途徑。針對(duì)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件小子樣、極少失效甚至無(wú)失效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，發(fā)展更適用于研制過(guò)程的數(shù)據(jù)評(píng)估方法顯得尤為重要。為了充分利用多源信息以提高發(fā)動(dòng)機(jī)及其組件的可靠性評(píng)估精度，應(yīng)當(dāng)深入探討多源信息融合方法。此外，重視航天產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)的規(guī)劃和實(shí)施，才能更好實(shí)現(xiàn)研制階段的組件可靠性要求。