液體火箭發動機虛擬試驗與仿真技術應用

楊思鋒，段 娜，張登攀，朱子環，李 斌

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

液體火箭發動機由于試驗費用大、研制周期長、事故破壞面大等特點，一直存在試驗樣本少、極限工況參數測不全、測不到等問題，影響了發動機性能的有效評估，制約了發動機產品的快速高可靠性交付。國外航天單位廣泛采用虛擬試驗與仿真驗證技術，應用到試驗的各個階段，預測評估物理試驗性能特征，也可以模擬極限工況和故障模式，在一定程度上簡化、減少、甚至替代傳統的物理試驗。

虛擬試驗是系統仿真理論的一支，指的是采用數值模擬手段代替部分或全部硬件來建立虛擬的試驗對象，在各種虛擬試驗環境中試驗者按照真實標準試驗流程完成各種預定的試驗項目，使所取得的試驗效果接近或等價于在真實環境中所取得的效果。虛擬試驗系統通過高逼真度的仿真模型的建立和歷史試驗數據的深度利用，使一些復雜系統和非線性系統的仿真驗證從定性向定量轉變，并以物理現象的形式展現系統模型仿真結果，更加直觀地表現物理試驗與仿真結果的對比，為復雜物理現象的機理分析提供有效手段。

因此，為了滿足現代液體火箭發動機研制需求，彌補真實試驗與單純數值計算的不足，液體火箭發動機領域越來越多的研究單位采用虛擬試驗及驗證技術，并以工程平臺的形式進行了推廣應用，對輔助真實試驗，優化試驗流程管理和資源配置，縮短研制周期、降低研制成本和風險有顯著意義。

1 國內外研究應用綜述

1.1 國外方面

1.1.1 噴氣推進實驗室的IVTB

集成虛擬試驗平臺IVTB (integrated virtual test bed)于2002年研發完成，部署在噴氣推進實驗室，其目的是支持第二代可重復性運載器項目的功能性表征和驗證。IVTB可以被用來進行運載器及其部件的地面試驗，任務設想試驗。X—34RLV的推進系統為它的初次試驗，整個系統是由若干子系統組成，相互獨立又相互聯系，采用模塊化模型作為其仿真基礎，預測各種不同操作模式下的動態特性，分析傳感器測量對試驗精度的影響。IVTB是系統集成和試驗設施。對第二代可重復性運載器項目來說，IVTB提供了類似飛行的實時和非實時環境去模擬集成操作和客戶端評估、定義運載器框架下的操作(見圖1)。

圖1 實際試驗與虛擬試驗中的客戶端系統(物理客戶端和仿真客戶端)Fig.1 Client system of actual test and virtual test(physical client & simulation client)

如圖1所示，實際試驗和虛擬試驗中的客戶端系統和子系統健康管理構架中，子系統都將產生大量連續的物理參數(例如:溫度、壓力、流量)。虛擬試驗系統客戶端不是實時系統，而是要提前于真實試驗，反饋各種故障傳感器數據流對硬件系統的影響。每一個假設的執行過程是把一個子系統輸出的物理量，在下一個步長提供給另一子系統作為輸入量。總之，IVTB豐富了試驗臺集成仿真和分析能力，使系統能夠檢測異常狀態，確定異常原因及其影響，預測未來的異常趨勢，并給使用者(可以是操作者、用戶或管理者)提供一個綜合的系統信息。

1.1.2 肯尼迪空間中心的VTB

2003年，美國NASA的肯尼迪空間中心進行了虛擬試驗平臺VTB的開發研制，主要是開發一種計算機的協作環境，這樣仿真模型就可以集合到一個無縫模式中。這個協作的計算機環境重點是操作模型，主框架是仿真、數據庫、管理系統的集成。

其設計的VTB主要技術特征有:

1)基于網絡。VTB必須可以使用網絡資源，可以保證其分布特性，滿足不同區域應用的需求。

2)即插即用。模型應該能夠隨時被使用，不用復雜的連接與重寫。

3)不同模型無縫集成。VTB應該能夠支持模型增長，模型又是有所不同的，例如:①基于物理和化學現象的非線性第一原則模型;②分析穩態系統輸入/輸出數據的線性回歸模型;③專家預測的模糊數學模型;④神經網絡模型;⑤離散事件模型。

4)多模型。不同部件的不同過程需要用多模型描述。

5)假設引擎。假設可以表征一些特殊情況。

6)可擴展知識存儲。數據庫和知識庫要有處理大量數據、聲音、圖片、音頻等的能力，另外，還要有在不同形式的知識集成能力。

7)靈活的建模環境。為了滿足VTB的建模需求，必須可以允許建立請求和各種假設。

8)實時環境。實時仿真和決策需要實時環境，尤其是需要實時基線和快速反饋。

9)安全層。架構、密碼、IP地址和軟件模塊的設計都要提供不同等級的安全要求。

10)集成圖形環境。虛擬試驗結果需要智能化的可視化表征。用戶應該可以用不同媒介和方式查看結果。可視化環境通過虛擬請求語言(VQLs)集成。

11)控制應用邏輯的獨立性/架構。VTB架構里的各個知識塊是獨立的。這樣各個軟件模塊的維護和評估可以容易實施。

1.1.3 馬歇爾空間飛行中心的ROCETS

馬歇爾空間飛行中心MSFC聯合普惠公司、劉易斯研究中心、斯坦尼斯空間中心共同開發、校驗和應用的火箭發動機瞬態仿真系統(ROCETS)。1989年開始應用至今，是最早將模塊化建模思想應用到液體火箭發動機領域。ROCETS采用模塊化建模仿真思想，將發動機系統中依照工作原理的不同劃分出幾大類模型模板，并依據系統組成生成系統模型。這樣使程序不再局限于特定的發動機形式，具有很強的適應性、靈活性和通用性。系統庫有上百系統、組件、運行過程模型，每個模型都通過百次以上飛行或試驗臺熱試數據校驗和修正過。其建立了瞬態和穩態兩類模型，可進行發動機的靜、動態過程的仿真，應用案例很多，包括普惠公司研制的上面級發動機RL10系列、SSC試驗臺、X—34主推進系統、核熱推進等等。

此外ROCETS系統的另一個顯著特點就是并不局限于發動機系統的仿真，經過簡單的適應性修改還可用于其他領域。當前ROCETS系統的改進版本已經比較廣泛的應用到了NASA的液體火箭發動機以及增壓輸送系統的研制中。

1.1.4 格林研究中心的PITEX和NPSS

推進系統IVHM技術試驗(propulsion IVHM technology experiment,PITEX)隸屬于SLI項目(空間發射主動性項目)，由格林研究中心主要研發。其系統框架包括遙測遠程輸入系統、監視系統、實時交互、仿真系統、結果輸出系統和地面過程單元。同時，為開發和測試診斷系統，虛擬推進系統提供仿真數據支持。

為了校核和驗證診斷軟件，在推進系統并沒有真的進行系統級試驗的情況下，虛擬推進系統作為一個支持部件，提供了X—34主推進系統的物理原型的仿真數據。仿真模型提供X—34主推進系統的穩態和非穩態狀態的仿真，可以仿真許多非穩態假設(包括:閥門黏著或打開、閥門自發關閉或打開、減壓器失效、傳感器失效等)。這一部件包括在不同操作模式下的各種物理模型的行為預測(例如:推進劑調節和泄出)。這些模式產生了不同的參數和樣本率的輸出文件。在虛擬推進系統部件里有著各種類似飛行狀態的數據集。這些輸出數據與傳感器進行對應，并應用隨機噪聲對數據進行處理，插入離散信號(例如:命令和開關指示)。最后的數據集以二進制文件格式存儲，并且包含記錄文件內容和時間的頭信息。

1.1.5 斯坦尼斯中心的RPTA和IVHM

斯坦尼斯中心SSC開發和特制了試驗設備的流體系統分析工具——火箭推進試驗分析系統(rocket propulsion test analysis,RPTA)，目的是在試驗生命周期中提供可理解的推進系統熱動力建模和試驗仿真。這些工具被用來預測推進系統的行為，該技術轉化為有活力的試驗能力。集成設施仿真分析可以從本質上為試驗臺節約成本，合理安排各項進度，提高效率，同時完成知識獲取和累積，為未來試驗工程的生命周期管理提供分析工具。SSC的RPTA在模型和CFD能力的發展，保障了高精度的試驗工程推進系統需求分析，以及在工程生命周期的早期開展相關試驗設施設計和操作。

同時，NASA斯坦尼斯航天中心(Stennis Space Center)、NASA埃姆斯研究中心(Ames Research Center)和普惠公司(Pratt & Whitney Rocketdyne)以A—1試驗臺和J—2X發動機為中心實施IVHM的核心功能(見圖2)，包括異常檢測和基于故障模式與影響分析(FMEA)方法的要因分析，最終由用戶界面來監測試驗臺與發動機系統的工作狀況。演示系統在J—2X發動機測試過程中驗證了IVHM 系統的有效性。同時，系統的結構設計與實施方法采用模塊化的方法，允許系統性地增加新的程序模塊來擴展IVHM的功能。IVHM在該項目中被用于斯坦尼斯航天中心的試驗臺，在A—1試驗臺的IVHM系統包括底層傳感器和頂層健康管理系統。以燃料供應系統為例，IVHM監控推進劑、氧化劑加注以及工藝系統的吹洗的壓力狀態，傳感器向智能處理層提供處理過的數據信息，由IVHM來評估傳感器的情況，并通過智能算法處理諸如壓力過高、泄露、壓力消失、破裂、腐蝕、剝落、漂移、磨損、噪聲等異常過程狀態，進一步決定系統的管理決策。

圖2 試驗臺應用案例Fig.2 Application case of test bed

2.1.6 俄羅斯科學試驗中心的ЛОГОС и ЛЭГАК—ДК

俄羅斯火箭宇航科學試驗中心等國家企業實施了“用于新型火箭宇航系統試驗的基于超級計算機的信息技術”研究項目。其目的是研制與實施基于超級計算機的虛擬設計和計算機建模，以便制造和試驗新型火箭航天器，并提高其可靠性、質量和技術經濟性。建設了超級計算機系統，研發了ЛОГОС и ЛЭГАК—ДК軟件。

建造新型火箭航天系統的計算機模型包括火箭航天器部件的虛擬模型。重點是:

1)液體火箭發動機部件虛擬模型；

2)“試驗臺—發動機”系統虛擬模型；

3)運載火箭虛擬模型。

與之前采用商用軟件相比，應用此軟件在超級計算機上對火箭擾流過程進行建模可以獲取更多的氣動信息量和預測能力，可以優化試驗規劃階段的試驗過程，從而大幅減少真實試驗高空模擬試驗發動機РД0146數量。借助模型庫對“發動機—試驗臺”系統中承載最大的部件的臨界狀態進行建模，可以確定所允許的參數極限，從而完善事故自動防護系統的算法，進而火箭航天器提高試驗安全性。

1.1.7 德國DLR中心的GESSP

德國空間技術研究院推進分部DLR中心在20世紀90年代發展了一種用于液體火箭發動機系統分析的標準組件方法，即從預先定義的標準組件庫中選擇組件模型搭建一個發動機循環的仿真模型。該建模方法已成功用于模擬采用低溫推進劑的航天飛機主發動機(SSME)，使用液氧煤油的RD—120發動機以及一個三組元發動機。該研究院的Hagen—D.Sabnick等發展了模擬低溫推進劑火箭發動機系統過渡過程的數學模型。利用這個模型可以近似地描述這一類發動機的有關啟動和關機過程的動態性能。使用上述方法對氫管道的預冷充填過程，氫氧發動機的啟動過程，液氧供給管路的關閉過程中的低溫推進劑流動特性，閥門開關時序，渦輪泵特性等進行了計算和分析。所得結果能較好地反映各個過程的重要特征，但在數值精度上與試驗數據仍有差距。

1.1.8 日本Kakuda空間推進中心的REDS

日本Kakuda空間推進中心開發了用于仿真LE—7A發動機啟動關機瞬變過程的REDS程序(rocket engine dynamic simulator)，該程序采用了有限單元交錯網格方法對發動機系統組部件進行仿真，已經成功應用于日本氫氧發動機產品研制，并推廣應用到了其他發動機型號的研制與試驗。

1.1.9 法國宇航局的CARINS

法國宇航局的CARINS液體火箭推進系統瞬態特性仿真軟件，其特點是可用于預測液體火箭推進系統時域頻域特性(啟動和關機特性、充填過程、工作點變化等過程)，界面友好、擁有模型庫和模型自動生成器AMG，可擴展、具有通用性和系統組織能力。

CARINS系統結構包括三方面:其一就是界面友好的圖形化用戶接口；其二就是模型庫，它們是依據能量和力學原理以數學結構的形式加以體現；其三就是模型自動生成器(AMG)。工程人員可以在CARINS的GUI界面上構建他所需要仿真的系統，并在該界面上對該系統進行賦值或者確定屬性等操作。在完成建模后，計算機代數系統CAS就會對方案進行分析，以確定一組優化方程，然后自動生成該系統的基于Fortran語言的仿真系統。仿真的最后一步就是自動生成該仿真系統的優化后代碼，然后該代碼和常微分求解器鏈接對整個系統求解。已比較完整的應用到了Ariane4第三級發動機HM7B的動態仿真上，該發動機目前也已應用到了Ariane5 ESC—A上。利用CARINS得到的仿真結果同熱試數據相當接近。另外，從CARINS的仿真原理上來看，它的應用范圍并不局限于發動機系統，而是可以進行擴展，具有通用性和系統組織能力。

此外，法國IMAGINE公司開發的高級工程系統仿真建模環境AMESim是一個綜合性仿真平臺，具有標準化、規范化和圖形化的二次開發平臺AMESet，具有適合各個層次用戶使用的多種建模方式，具有與其他軟件(Matlab、Adams等)連接的接口，并且實現了多學科領域的建模與仿真，為火箭發動機系統動態建模與仿真提供了一個開放平臺，適用范圍廣。

綜上，國外主流液發研制試驗機構、其虛擬試驗與仿真平臺產品和功能描述如表1所示。

表1 國外平臺研究現狀對比分析

1.2 國內方面

各國都將虛擬試驗技術視為國防體系的核心技術之一，國內尚處于起步階段，相關的研究和應用還很少，和國外先進的技術比較還相當不成熟，因此，在我國液體火箭發動機領域開展虛擬試驗技術的研究還是一個全新的課題。

1.2.1 航天一院的VITA

基于VITA的綜合試驗驗證系統項目，開發了具有自主知識產權的綜合試驗框架VITA，VITA主要完成兩方面的工作，一是以復雜軍工產品為研究對象開展 “虛實結合”的試驗驗證共性需求，突破了中間件技術、試驗對象模型生成技術、合成環境模擬技術、試驗資源管理技術和試驗過程可視化技術等關鍵技術，形成一個支持多種試驗領域虛擬試驗的計算機物理架構環境；另一方面針對研究對象的試驗應用提出了基于其基本計算機物理構架環境的聯合仿真試驗，例如動力系統與控制系統的聯合仿真，既保證時序的統一一致、又保證動力性能參數的有效控制傳遞。同時實現真實試驗與仿真數據的比對。

1.2.2 國防科大的LRETMMS

國防科大的發動機瞬態過程模塊化建模與仿真軟件(LRETMMS)針對新一代發動機的啟動特性進行了仿真建模。提出了一種可以表征元件模塊和模塊連接信息的矩陣,以及組件模塊聯合仿真計算。軟件采用C++語言編寫而成，可以應用到大型氫氧發動機和液氧煤油發動機系統仿真。采用了起源于德國的模塊化仿真方法，自開發成功以來已經在我國液體火箭發動機研制中發揮了重要作用。LRETMMS軟件采用圖3所示的結構，其模型庫由事先劃分好的21個組件模型組成，沒有模型自動生成和頁面前置添加功能。因此該軟件在針對不同類型液體火箭發動機進行仿真時需要改進其模型庫。

圖3 LRETMMS軟件架構Fig.3 Software architecture of LRETMMS

1.2.3 北京航天試驗技術研究所的GSim

北京航天試驗技術研究所在模塊化仿真方向開發了液體火箭發動機的通用仿真軟件GSim。軟件系統由六大部分組成，如圖4所示。模型添加單元和代碼生成單元是本軟件的核心部分，可以實現模型單元的動態添加和可視化界面內的代碼調試，大大降低了發動機設計仿真人員對計算機編程的基礎儲備和工作量。已經應用本仿真軟件及元件的模型類庫對液氧煤油補燃循環發動機、姿軌控動力系統進行了仿真研究，仿真得到的參數變化趨勢和過渡時間與試車結果是基本一致的。

圖4 軟件結構示意圖Fig.4 Sketch map of software architecture

2 技術發展趨勢

通過對國內外液體火箭發動機虛擬試驗與仿真驗證技術的應用分析，可以從成熟案例中總結推斷出未來本領域技術的發展趨勢。

1)系統模型模塊化與可擴充性，仿真模型的應用性與模塊的完備性都亟需高耦合性和獨立性的模型建立。模型自動生成器增強了軟件的應用范圍，且仿真模型為多模型狀態，一維模型中增加流場等耦合仿真等。

2)更高標準的準確性和實時性。高準確性的仿真模型是虛擬試驗開展基礎，更高準確度保證更大應用價值。實時性是保證仿真與實物同步執行取得更好的應用效果的必要條件。

3)虛擬試驗平臺的集成性和智能化。液體火箭發動機虛擬試驗研究內容涉及多個領域，如仿真模型、數據庫、可視化、人機交互、工作流、信息化等，滿足各項功能模塊之間數據傳遞的需求。無論是對數據、模型、知識的集成管理與應用，還是對設計、仿真、分析功能技術的應用都需要高效綜合應用環境并融入智能算法，支撐快速高可靠的設計與試驗研究。

3 結語

通過國內外虛擬試驗仿真平臺調研，總體研究應用情況總結如下:

1)國外的液體火箭發動機仿真工作覆蓋面廣、可信度高，從系統級到部件級的全工作過程都可以實時精準模擬，所有模型都經過了真實試車或飛行數據的校驗和修正，這是整個虛擬試驗技術的核心和基礎。

2)國外的虛擬試驗平臺多由試驗研究機構和設計單位共同實施，由發動機設計單位提供產品模型，應用平臺首先應用在試驗臺設備上，研制校準成熟后再推廣應用到飛行器上，同時，其平臺產品應用度高，仿真產品能夠與真實試驗并行執行，實現了在線異常數據診斷、本因分析與措施建議。

3)每個研究機構都有自己知識產權的仿真平臺，且其仿真技術已經作為其一項重要試驗能力進行建設，其軟件產品均具有可擴展、可移植等特點。

鑒于液體火箭發動機虛擬試驗與仿真驗證技術在國外相關領域的成功應用與技術引領需求，我國在現有工作的基礎上要適時開展:

1)更精細的模型校準工作，對自主研發的發動機和試驗臺各關鍵部件機理更深入研究，需要大量實物試驗的經驗數據提供支持。

2)加強數據有效性評估，并建設新型測試手段，用更多更準確的測試數據對關鍵數學模型參數進行校準。

3)與物理試驗臺一比一對應的虛擬試驗平臺重點建設其無縫接口環境、通用模型和共享數據平臺。