氫氧火箭發動機組件研制階段可靠性技術綜述

王 博，蔣 平，趙 騫，鄭孟偉

(1. 國防科技大學 系統工程學院，湖南 長沙 410073；2.國防科技大學 信息通信學院，陜西 西安 710106；3. 北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

氫氧火箭發動機作為火箭系統的“心臟”，必須具備高可靠性，否則將會導致火箭發射失敗，威脅人員安全，造成不可估量的嚴重損失。如果能在研制階段準確評估發動機可靠性，盡早發現發動機的薄弱環節，就能夠避免通過試車暴露問題—返工—再試車的惡性循環，從而保證研制進度、節省研制經費。目前，我國已啟動重型運載火箭與火星探測等一批新的重大科技項目和重大工程，多種型號氫氧火箭發動機的研制也在同步推進，如何保證研制出的型號具備高可靠性也備受關注。

氫氧火箭發動機的可靠性很大程度上取決于對其有重要影響的關鍵組件的可靠性。在研制階段，從失效機理和故障模式入手，保證渦輪泵、推力室、閥門等重要組件的可靠性，自下而上提高系統可靠性是保證氫氧火箭發動機可靠性的有效途徑。同時，從組件到系統都會開展試驗來驗證其可靠性，試驗能夠提供可靠性評估所需要的數據。因此，基于研制階段的試驗數據進行可靠性評估，根據評估結果查找薄弱環節，改進設計，也是保證氫氧火箭發動機可靠性的重要途徑。

本文對目前國內外氫氧火箭發動機可靠性技術相關研究進行綜述，第2節總結了基于渦輪泵、推力室、閥門、密封件等關鍵部件失效機理的可靠性工作方法；第3節根據組件研制試驗類型多、樣本小、極少失效的特點，歸納了現有應用于組件的可靠性評估方法；第4節在前兩節的基礎上探討了氫氧火箭發動機可靠性工作存在的問題以及未來的發展方向。

1 氫氧火箭發動機簡介

氫氧發動機是世界火箭發動機技術發展的趨勢之一。液氫是重要的高能低溫液體火箭燃料。在產生相同能量的前提下，體積小、重量最輕，無污染。氫氧火箭發動機主要由推力室、推進劑供應系統、閥門與調節器及發動機總裝元件等組成。氫氧火箭發動機的故障就是一個或多個組件的故障。組件的可靠性是發動機可靠性的基本保證，影響發動機可靠性的關鍵組件包括：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、高壓和高速的推進劑中。同時，渦輪泵還是氫氧火箭發動機的主要激振源之一。渦輪泵和推力室的壽命常用威布爾分布進行描述。閥門是典型的機械結構件，屬于成敗型產品，可靠工作次數分布規律同樣符合威布爾分布。密封件起著隔離介質和壓力腔的作用，包括靜密封和動密封，對于防止介質外漏或控制介質內漏起著重要作用。其中，動密封是控制渦輪泵內泄的關鍵組件，對渦輪泵的效率和轉子振動具有重要意義，一旦失效將嚴重影響渦輪泵的運行，導致重大的事故。

2 基于失效機理的氫氧火箭發動機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它的失效機理和故障模式開展研究。渦輪泵自身的異常振動是反映其故障的重要表現形式之一，例如基于振動信號開展故障檢測和試驗驗證，通過振動信號特征的選擇提取和信號處理實現渦輪泵的故障定位。信號特征提取主要集中在三個方面：特征集降維處理、時域特征選擇與提取和頻域特征選擇與提取。在信號處理方面，國內外已開展大量基于固定閾值、自適應閾值等方法的氫氧火箭發動機故障檢測與診斷算法研究。針對實時故障檢測，一般采用固定閾值的紅線報警方法，但該方法有時存在虛警和漏警的現象。自適應閾值算法主要包括自適應閾值算法(ATA)和自適應相關算法(ACA)等故障檢測方法，目前還存在算法訓練效率不高、信號特征不夠理想和閾值隨異常數據自適應變化等問題。

渦輪葉片是轉子系統的零件，也是減損與延壽控制技術中的關鍵組件。由于很難得到渦輪葉片的結構動力學模型的解析解，在實際的分析中往往應用有限元分析法來求解其數值解，依此評估渦輪葉片壽命，實現故障預測和分析。如何在了解渦輪葉片損傷模式與機理、研究渦輪葉片載荷譜的基礎上，在設計和制造過程中采取恰當的改進措施，保證葉片可靠性水平，是氫氧火箭發動機渦輪泵研制過程中亟需解決的問題。

預測軸承疲勞壽命的壽命模型和基于加速退化試驗的可靠性評估方法已經趨于多樣、成熟。但對軸承內部載荷分布、接觸表面和次表面的應力狀態進行準確的仿真和計算還需要進一步的研究。在發動機研制過程中，軸承的性能和壽命考核通常采用模擬介質運轉試驗，根據試驗過程中軸承轉速的變化情況、試驗后樣本的完整性評估來判斷軸承性能，定量求解流體潤滑雷諾方程，或者對不同介質下軸承的靜態性能特性進行計算分析。同時，鄭繼坤強調軸承的不正確使用導致的故障比軸承自身設計、生產質量導致的故障要多，因此需要在設計階段考慮周全、結構上采取保證措施、正確裝配和使用以及充分的相關介質試驗來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生故障的主要原因。

推力室由推進劑噴注器、燃燒室、噴管等組成。氫氧火箭推進劑通過噴注器按一定流量和混合比進入燃燒室霧化、混合和燃燒。噴注過程對燃燒效率和燃燒穩定性有重要影響，如果噴注不均勻，會影響噴嘴結構的可靠性，嚴重的還會導致噴嘴燒蝕。為保證燃燒室的可靠工作，推進劑中的一部分流經冷卻套，帶走壁上高溫燃氣帶來的熱量。再生冷卻通道一側承受高溫燃氣，一側流經低溫冷卻劑，同時冷卻通道兩側的壓力差使推力室室壁承受機械載荷，致使推力室室壁工作在極限狀態附近。因此，在進行推力室可靠性強化時需要充分考慮材料、環境等因素的影響，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，通過該方法可以確定推力室不發生故障的壓力上限。

目前主要借助三維計算流體力學方法(Computational Fluid Dynamics，CFD)計算發動機推力室內部流場，分析造成噴注不均勻的原因，進而提出設計改進措施與意見；同時觀察燃氣參數和冷卻液參數的變化，進行熱傳數據的評估研究以及冷卻結構優化。

2.3 閥門可靠性工作方法

氫氧火箭發動機閥門的基本性能要求包括：強度性能、密封性能和總體動作性能，主要故障模式有閥門啟動(關閉)失靈、卡滯、閥門污染(泄露)。在低溫環境試驗中，閥門更容易發生卡滯、卡死故障，王志等針對閥門的拒動、卡滯故障模式，提煉出識別閥門開關動作狀態的指標。閥門泄露檢測手段的研究是極具現實意義的工作。傳統的閥門密封性能檢測手段是“閥門泄漏量氣泡法”，根據試驗中出現氣泡的數量和時間計算漏率。但是存在計算數據不準確，精度不高的隱患。在實際制造試驗中，謝建超等改進技術缺陷，提出已經獲得專家認可的“閥門泄漏量差壓檢漏技術”。

為了保證閥門的可靠性，在研制過程中通常采取強度、密封、總體動作試驗來進行驗證，這些試驗已經形成規范。但是，依據不同類型試驗數據評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

固體火箭發動機密封件的研究成果較為豐碩，但是關于氫氧火箭發動機密封件的文獻相對較少。密封件的可靠性與其設計結構密切相關，好的設計結構是保證密封性能和可靠性的關鍵。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行密封設計的結構強度和密封性分析。此外，基于有限元方法也可以進行密封件的溫度場和熱載變形的計算，幫助改進密封設計，總結端面溫度的分布規律以及密封環內溫度變化趨勢。

3 基于試驗數據的氫氧火箭發動機組件可靠性評估

氫氧火箭發動機是集機、電、控、化等多學科于一體的復雜系統，工作過程也非常復雜。為了在組件研制過程中保證其高可靠性，國內外普遍采用各種研制試驗來進行驗證。通過試驗數據來評估組件的可靠性，根據評估結果查找薄弱環節，進而改進設計，保證高可靠性水平，是組件可靠性工作的一項重要內容。但是，組件的研制試驗類型多、樣本小、極少失效，基于試驗數據的組件可靠性評估尚待深入的研究和實踐。

3.1 小子樣、無失效壽命數據的評估

氫氧火箭發動機組件生產批量小，因此，研制試驗的樣本量小、試驗時間短，常常出現極少失效甚至無失效的現象。這些特點決定了氫氧火箭發動機組件可靠性評估難以采用傳統的基于大樣本壽命數據的可靠性評估方法。從20世紀70年代開始，如何進行高可靠產品在無失效條件下的可靠性評估，引起了國內外學者的重視。但通過氫氧火箭發動機的組件研制試驗數據來開展可靠性評估，尚未形成適用的規范。

貝葉斯方法將樣本壽命數據與各類先驗信息結合起來，修正參數估計的結果，同時需要的樣本量相對來說也更少一些，是目前處理小子樣、無失效數據問題的主流方法，已經應用于氫氧火箭發動機及其組件的可靠性評估中。首先需要基于先驗信息給出參數的先驗分布，再根據傳統貝葉斯、多層貝葉斯、E-Bayes等一系列的貝葉斯方法得到參數的驗后分布。先驗分布的選擇是極其關鍵的一步，由于發動機組件研制階段的小子樣、無失效或極少失效的特點，驗后分布對先驗分布的選擇將會非常敏感。

目前的研究中大都選擇失效概率作為待估參數，常用的確定失效概率的方法包括經典法(經驗公式)和貝葉斯方法，再用最小二乘法擬合壽命分布，完成無失效數據的可靠性評估。較為常用的累積頻率經驗公式(失效概率)有貝葉斯方法需要首先確定失效概率的先驗分布，姜祥周、茆詩松和Bremerman等基于試驗數據特點分別選擇了不同的先驗分布，此外也可以用減函數構建失效概率的先驗分布，然后推導失效概率的貝葉斯驗后分布，計算點估計值。在使用最小二乘法時，不同的加權方法也會帶來不同的評估效果，為了進一步提高評估精度，國內外對此也做了大量研究。

徐彬娟根據液體火箭發動機閥門的三種研制試驗類型和數據特點，提出一種融合三類試驗結果的可靠性預測方法，將貝葉斯方法運用于無失效數據的評估過程中。胡丹丹總結了無失效條件下的可靠性評估方法，討論了發動機軸承的壽命分布參數不同取值對可靠性評估結果的影響。總得來說，基于小子樣壽命數據的評估方法在氫氧火箭發動機組件可靠性評估中應用較少。

3.2 考慮可靠性增長的可靠性評估

氫氧火箭發動機組件在研制過程中通常要經歷多個階段的試驗，根據試驗結果進行設計改進。因此，從統計學的角度來講，不同階段的組件并非同一總體。如果考慮充分利用研制過程各階段的試驗數據來評估組件可靠性，可以借鑒可靠性增長的概念。可靠性增長是可靠性理論研究的三大方向之一，國內外可靠性增長的研究方興未艾。可靠性增長模型研究和實踐目前有兩個方向，分別是通過傳統的統計估計方法和貝葉斯方法，來建立可靠性增長模型。

傳統的統計估計方法已經趨于成熟，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。但這些模型不能進行分階段的可靠性增長估計，也不能充分利用已有的試驗信息和其他相關信息。此外，在Duane模型和AMSAA模型的基礎上，蔡忠義等提出一種基于研制階段變總體變環境試驗數據的可靠性綜合評估方法與模型；王華偉根據液體火箭發動機的特點，建立了基于增長數據折合的可靠性增長模型；馮靜等提出了一種新的基于修正似然函數的可靠性增長分析方法，在一定程度上解決了無失效數據情形下的火箭發動機可靠性增長分析問題。

貝葉斯可靠性增長模型包括Smith提出的二項式可靠性增長貝葉斯模型，Gross的三項可靠性模型，周源泉的指數可靠性增長貝葉斯模型等。王華偉等提出的雙參數Bayes可靠性增長模型、基于增長數據折合的指數分布可靠性增長模型，能在小子樣情況下指導航天產品可靠性增長規劃的制定。劉琦等在液體火箭發動機批次試驗中，運用Compertz模型和線性回歸方法分析可靠性增長因子，然后建立動態參數的遞推估計模型。目前的貝葉斯模型雖然可用于分階段的可靠性增長，但這些模型常選取無信息先驗分布，以避免對先驗分布的爭議，這樣做事實上沒有充分利用先驗信息，沒有真正發揮貝葉斯方法的優勢。先驗分布的確定和驗后推斷計算是貝葉斯可靠性增長領域的兩大問題。對先驗分布的研究包括Jeffreys無信息先驗分布、Raiffa和Schlaifer的共軛先驗分布、Jaynes的最大熵先驗分布，以及Lindley的多階段先驗分布。相應地，目前的先驗分布確定方法有無信息先驗、用歷史數據確定先驗分布、共軛先驗以及運用自助采樣(Bootstrap)方法和隨機加權法確定先驗分布。驗后量計算可歸結為驗后分布積分計算，例如Gibbs抽樣法，取舍抽樣法等。在氫氧火箭發動機組件的貝葉斯可靠性增長評估中，如何選擇適用的先驗分布來評估組件的可靠性，既能避免主觀的干擾，又能充分利用前面階段的試驗數據，是一個值得探索的重要問題。

3.3 考慮多源信息融合的可靠性評估

氫氧火箭發動機組件的研制試驗類型多，例如閥門就有溫度、打壓、動作、振動等不同類別的試驗，試驗條件和試驗數據類型也各不相同。同時，很多型號研制過程中有老型號的相關信息、專家判斷等信息，這些都可以看作是當前組件的多源信息。比如，研制過程中不斷改進的產品，與改進前的產品可靠性之間存在密切聯系，用不可靠度比率δ可以描述這種可靠性關系。這一重要參數信息可構造可靠性的先驗分布。更為廣泛的，還可以用繼承因子的概念將先前型號產品和相似產品的故障數據、可靠性指標數據融入樣本產品的可靠性評估過程。在實際的可靠性工程中，專家的判斷是非常重要的，因為它可能是除了少量試驗數據以外唯一的信息來源。比如由專家判斷給出參數或超參數的取值范圍，根據工作經驗估計樣本壽命等。

按照貝葉斯理論，將來源于不同途徑，與現場試驗信息一致的多源信息轉化為先驗分布，完成多源信息的融合，可以有效提高發動機組件可靠性評估結果的精度。

現有的融合方法包括加權融合、環境因子融合和多階段變總體融合。針對同一狀態產品的加權融合應用極為廣泛，如基于可信度的融合、基于相關函數的融合、專家設定權重、基于模糊邏輯算子的融合等。產品在不同環境下的試驗信息的融合——環境因子融合可以基于統計推斷、預測技術、加速壽命試驗衍生出不同的處理方法。產品在研制過程中各階段試驗信息的融合是多階段變總體融合，也可看作可靠性增長。融合可靠性增長全程試驗信息進行小子樣產品可靠性評定時，通常有兩條途徑：一是利用全程信息設法得到可靠性評定模型的參數估計，達到增長信息融合的目的；二是直接利用可靠性增長信息建立系統可靠性增長模型，從而實現增長信息的融合。

根據氫氧火箭發動機研制過程的不同數據類型，探索不同類型、不同體量的數據之間的融合方法是一大重要課題。

4 存在的問題

基于失效機理的組件可靠性工作方法已經得到了充足的發展，為提高氫氧火箭發動機可靠性做出了巨大貢獻，但在工程實際中還存在以下問題：

1)渦輪泵的轉子系統間的次同步振動、燃燒室內的高頻不穩定燃燒，以及造成的全箭振動，如火箭結構與推進系統間的縱向耦合振動、伺服系統與發動機間的耦合振動，是導致發動機故障的重要原因。因此，應該進一步深入開展渦輪泵故障監測與診斷技術研究，通過振動信號特征的選擇提取和信號處理實現渦輪泵的故障定位，在研制試驗中發現問題，定位薄弱環節，為以后的設計改進和試驗設計提供客觀依據。

2)工程要求軸承的軸向力調節裝置必須具有自適應功能，且平衡范圍大，具有足夠高的靈敏度。美、歐、日開展了以流體動力學為理論基礎的動靜壓軸承研究，其中靜壓軸承已經應用于航天飛機。預測軸承疲勞壽命的壽命模型和基于加速退化試驗的可靠性評估方法已經趨于多樣、成熟，在軸承可靠性工作中加強新方法的應用是提高軸承可靠性的重要途經之一。

3)閥門的強度、密封、動作試驗設計已經日益成熟。依據不同類型試驗數據實現可靠性的綜合評估，對未來閥門可靠性工作的研究重點。

4)密封面尺寸越大，在發動機影響下產生的熱變形會使得不平面度控制越發困難。為提高密封件可靠性，一方面需要改進密封設計，另一方面也需要選擇更合適的材料。此外，也可通過對發動機密封件不平面度誤差實施檢測的專用裝置設計、測量、平面度判讀等方法的探索和完善，保證密封件的可靠性。

氫氧火箭發動機從需求分析、規劃設計階段開始就確定了組件的高可靠性要求，而且組件的研制試驗中，能夠投入的樣本量往往很小。同時，受到研制經費和研制時間的限制，在組件的研制試驗中不可能總是得到完全樣本，通常是在到達給定的截尾時間時停止試驗，容易出現極少失效甚至無失效的數據。因此，小子樣、極少失效的研制試驗數據很難直接用于組件的可靠性評估，現有的組件研制階段的可靠性工作大都局限于失效機理分析和試驗驗證，以及針對試驗結果的設計強化，缺乏定量的可靠性評估結果的支持。對組件各種類型的試驗和數據的研究所存在問題：

1)需要研究從多源信息融合的角度，通過失效機理分析，提出對不同類型試驗數據的處理方法；

2)需要探討小子樣、極少失效甚至無失效數據的可靠性評估方法在組件可靠性評估中的應用；

3)需要研究多源信息融合的評估方法應用于組件可靠性評估，以減少單純依靠無失效數據的評估可能帶來的結論不可驗證性和不可信任性，提高評估結果的可信度；4)根據不同階段研制試驗和評估結果來制定和調整組件的可靠性增長規劃，作為氫氧火箭發動機組件研制階段的重要工作，不僅可以實現可靠性增長的量化和監管，還能分析提供故障糾正措施以及確保糾正措施的有效性，是今后氫氧火箭發動機組件可靠性工作的重點方向之一。

5 總結

氫氧火箭發動機的可靠性很大程度上取決于對其有重要影響的關鍵組件的可靠性，分析重要組件的可靠性、故障模式和失效機理，自下而上提高產品可靠性是保證氫氧火箭發動機可靠性的有效途徑。針對氫氧火箭發動機組件小子樣、極少失效甚至無失效的試驗數據特點，發展更適用于研制過程的數據評估方法顯得尤為重要。為了充分利用多源信息以提高發動機及其組件的可靠性評估精度，應當深入探討多源信息融合方法。此外，重視航天產品可靠性增長的規劃和實施，才能更好實現研制階段的組件可靠性要求。