【现货速发】液体运载火箭动力冗余技术工程设计与实践

序
液体火箭发动机作为运载火箭的核心组成部分，对运载火箭综合性能指标的实现和高可靠飞行具有决定性的影响，一代运载火箭牵引一代发动机，一代发动机支撑一代运载火箭。为了实现兼具高结构效率和高能量转化效率的目标，液体火箭发动机需要以尽量轻薄的结构和紧凑的布局，经历极高温、强振动、大热流等工作环境。内部流固耦合作用机理复杂且对边界条件敏感，这就导致了运载火箭飞行过程中发动机故障多发，且多为成败型故障模式，对其他系统易造成次生灾害。

液体运载火箭动力冗余技术是运载火箭技术发展的重大方向，我在日常工作中尚未见到关于动力冗余技术的专著，这恰恰也是我国下一代运载火箭应该努力的方向。要应用动力冗余技术，需要从顶层设计上融入新的设计理念和方法。著者长期从事运载火箭总体设计，近几年对该方向进行了深入研究，从运载火箭顶层设计流程入手，对动力冗余技术的主要技术方向和关键技术项目进行了详细梳理和系统研究，提出了基于发动机测量参数和飞行动力学参数互为冗余补充的故障诊断技术，形成了推力调节时机和幅度联合优化的方案；通过试验辨识了交叉输送技术的影响因素和相关规律，确认了采用在线轨迹重规划、自适应切换制导诸元、在线控制重构的技术可行性；同时，针对运载火箭安全防护和动力冗余的试验验证体系也进行了深入细致的研究。相关工作的开展为运载火箭采用动力冗余技术明确了实施思路，为后续运载火箭总体设计优化和提高运载火箭飞行成功率提供了有益参考。

本书相关研究内容系统性强，内容丰富，有仿真和试验研究结果作为支撑，对未来工程应用的指导性强，将进一步完善液体运载火箭动力冗余技术的知识体系，可作为工程设计人员和高等院校师生的参考书。

祝愿中国的运载火箭不断取得新的突破，飞得更高、更稳！

龙乐豪

2021年12月

前言

运载火箭是进入太空的运输工具，由于对高性能的极致追求，高风险始终如影相随。动力系统是决定运载火箭飞行可靠性的重要环节，数十年来国内外运载火箭近6 000次的飞行实践表明，动力系统故障导致发射失利占失利总数的一半以上。在运载火箭设计之初融入动力系统冗余的理念，即在飞行中部分发动机出现有限故障的情况下仍可保证任务的圆满成功，是进一步提高运载火箭可靠性的有效途径。

动力冗余是典型的多学科交叉融合领域，涉及运载火箭总体、液体火箭发动机、增压输送系统、控制系统、测量系统等多个子系统，以及流体力学、传热传质学、燃烧学、多体动力学、流固耦合、控制理论、优化理论、人工智能等多个学科专业。相关研究既对理论基础提出了较高的要求，也需要充分贴近工程应用实践，将研究成果转化为运载火箭飞行可靠性的切实提升。国外相关研究起步较早，美国和苏联在早期登月火箭土星5号和N1的研制过程中就已经对动力冗余技术进行了较为深入的论证，并在系统方案设计中予以考虑。航天飞机的研制延续了这一理念，SpaceX公司猎鹰9号火箭进一步推动了动力冗余技术的发展和应用。我国运载火箭在电气系统设计中多采取冗余措施提高可靠性，但应对动力系统故障的容错能力不强，特别是出现单台或部分发动机推力丧失严重故障时，很难保证任务成功。加强动力冗余技术的研究可以有效带动相关学科发展和技术进步，对提高我国运载火箭飞行成功率意义重大，也是对未来智慧火箭相关技术的有益探索。

国内外关于运载火箭总体设计、故障诊断和低温液体火箭发动机的相关著作较为丰富，动力冗余领域的科学研究和工程实践也非常活跃，极大丰富了该领域的参考资料。著者在日常工作过程中发现，已有的液体运载火箭动力冗余知识点较为分散，对于初学者尤其是介入航天型号研制时间不长的工程师而言，不利于形成该领域体系化的知识结构，一份系统的、全面的学习教材成为亟需。在相关研究项目资助下，著者有幸和研究团队一道，围绕运载火箭动力系统冗余相关的关键技术开展专项研究。随着研究的深入，对动力冗余的认识也逐步加深，对相关成果进行系统梳理总结、凝练成册，丰富现有资料库的想法也日渐清晰，这既是团队攻关的点滴记录，也是后来者前行的铺路基石。

本书遵循系统工程理念，面向运载火箭工程研制，从顶层需求和系统特点入手，涵盖了动力冗余技术的主要技术方向和重点工作项目，是对该项技术研究成果的一次全面总结。全书共分为8章：第1章概述了液体运载火箭和动力系统的特点，介绍了动力冗余技术的实现过程和主要关键技术；第2章阐述了动力冗余的总体设计技术，从火箭全箭角度分析动力冗余技术的影响范畴；第3章系统介绍了液体运载火箭发动机故障诊断技术的发展历程、技术路线、软硬件需求，并开展具体的案例分析；第4章结合具体案例对液体运载火箭发动机推力调节技术进行详细解读；第5章阐述了推进剂交叉输送技术的实现方案和具体策略；第6章详述了控制重构技术在运载火箭动力冗余中的研究和应用情况；第7章为结构安全性设计技术，梳理了当前对发动机恶性故障防护相关研究的进展；第8章为试验技术，重点讲解了为系统验证动力冗余技术需要重点开展的仿真试验和实物试验。

本书第1章由容易、秦曈撰写，第2章由容易、秦曈、陈士强撰写，第3章由陈士强、熊天赐、牟宇撰写，第4章由周宁、容易、牟宇撰写，第5章由熊天赐、容易、陈士强撰写，第6章由牟宇、张志国、朱海洋撰写，第7章由容易、张薇、顾名坤撰写，第8章由朱海洋、陈士强、容易撰写。容易拟定全书内容并审校全稿。在本书的编写过程中，北京航空航天大学梁国柱教授、北京理工大学袁梦琦教授、中国运载火箭技术研究院张智研究员、北京航天动力研究所郑孟伟研究员、北京航天试验技术研究所王占林研究员等专家提出了宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢。

本书的阅读需要具备一定的航空航天基础专业知识，既可作为高等院校航空宇航科学与技术相关学科专业研究生教材，也可作为从事航天飞行器设计领域的研究人员和工程设计人员的参考资料。由于著者水平有限，虽竭尽全力，不足之处在所难免。对书中存在的缺点和不完备之处，恳请读者批评指正。

著者
2021年12月
北京南苑

本书围绕液体运载火箭动力冗余技术的工程设计进行详细论述，重点包括面向动力冗余的总体设计技术、故障诊断技术、发动机推力调节技术、推进剂交叉输送技术、控制重构技术等多项关键技术的研究成果。
本书共8章。第1章绪论，主要包括概述、国外发展情况、动力冗余主要途径、主要关键技术；第2章总体设计技术，主要包括设计准则、协同关系、研制流程、设计方法、可靠性分析和验证体系；第3章故障诊断技术，主要包括概述、发展历史及应用现状、技术路线规划、某型发动机典型故障建模仿真、故障诊断算法研究、故障诊断系统硬件设备；第4章推力调节技术，主要包括发展历史及应用现状、推力调节需求及研究模型、推力调节技术应用、推力调节技术实现；第5章推进剂交叉输送技术，主要包括发展历史及应用现状、基于压力差控制方案的系统特性、基于调节阀控制方案的系统特性、交叉输送系统动力冗余控制策略、交叉输送技术实现；第6章控制重构技术，主要包括发展历史及应用现状、任务重构与弹道规划技术、容错控制技术等；第7章安全性设计技术，主要包括发展历史及应用现状、结构防护技术、POLO抑制技术；第8章试验技术，主要包括仿真试验和实物试验。

容易，博士，研究员，国际宇航科学院通讯院士，第三批国家“万人计划”特需领域青年拔尖人才，现任航天一院长征二号F总设计师，中国航天科技集团有限公司学术技术带头人，航天一院运载总体技术领域首席专家。获军队科技进步二等奖1项，授权专利11项，受理专利30余项，发表科技论文30余篇，享受国务院政府特殊津贴，获中国科协求是杰出青年成果转化奖，中央企业劳动模范、全国三八红旗手、全国五一劳动奖章等荣誉称号

目录

第1章绪论1

1.1概述1

1.1.1液体运载火箭技术发展史简介1

1.1.2液体运载火箭的主要特点2

1.1.3液体运载火箭动力系统的组成3

1.1.4液体运载火箭发动机的作用及特点4

1.1.5提升动力系统可靠性的方法5

1.1.6动力冗余技术6

1.2动力冗余技术国外发展情况6

1.2.1N1运载火箭7

1.2.2土星系列运载火箭8

1.2.3航天飞机10

1.2.4猎鹰火箭10

1.2.5小结12

1.3动力冗余技术实现过程13

1.3.1设计环节14

1.3.2验证环节15

1.3.3飞行应用环节15

1.4主要关键技术简介16

1.4.1总体设计技术16

1.4.2故障诊断技术16

1.4.3推力调节技术17

1.4.4推进剂交叉输送技术18

1.4.5控制重构技术18

1.4.6结构安全性设计技术19

1.4.7试验技术19

参考文献20

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第2章总体设计技术21

2.1设计准则21

2.1.1满足动力冗余特殊需求21

2.1.2保证故障状态安全隔离22

2.1.3选择状态合理平衡22

2.1.4正常故障状态合理包络22

2.2可靠性指标优化23

2.2.1传统可靠性计算方法23

2.2.2考虑冗余失效的可靠性计算方法25

2.2.3小结30

2.3冗余途径优化30

2.3.1“额定推力富余”方式31

2.3.2“发动机推力调节”方式37

2.3.3方式比较38

2.4火箭构型优化38

2.4.1芯级并联构型交叉输送效果的影响38

2.4.2级数对交叉输送效果的影响42

2.4.3小结42

2.5发动机容错布局优化43

2.5.1发动机故障情况下的控制模型43

2.5.2故障重构能力分析45

2.5.3小结49

2.6POGO抑制途径优化50

2.6.1动力冗余液体火箭POGO抑制特点50

2.6.2适应动力冗余的POGO稳定性模型研究52

2.6.3POGO主动抑制方法研究56

2.6.4小结65

参考文献67
第3章故障诊断技术69

3.1概述69

3.1.1故障诊断技术简介69

3.1.2故障诊断方法70

3.1.3小结75

3.2发动机故障诊断技术发展历史及应用现状76

3.2.1发展历程76

3.2.2红线参数法79

3.2.3异常和故障检测系统80

3.2.4试车后故障诊断系统80

3.2.5智能控制系统82

3.2.6健康监控系统82

3.2.7健康管理系统84

3.2.8先进健康管理系统85

3.3动力系统故障诊断技术路线规划86

3.3.1故障诊断对象86

3.3.2总体设计原则86

3.3.3研制流程88

3.3.4系统间逻辑职能及交互参数要求89

3.3.5故障模式分析95

3.3.6故障处理策略98

3.4某型发动机典型故障建模仿真101

3.4.1某型发动机原理101

3.4.2仿真模型建立101

3.4.3典型故障工况仿真106

3.5发动机故障诊断算法研究130

3.5.1发动机起动故障诊断131

3.5.2发动机稳态工况故障诊断132

3.6发动机故障诊断系统硬件设备137

3.6.1地面故障诊断设备137

3.6.2飞行故障诊断设备138

3.6.3故障诊断系统半实物仿真平台139

参考文献141
第4章推力调节技术143

4.1发展历史及应用现状143

4.2推力调节需求优化145

4.2.1推力调节需求145

4.2.2研究模型146

4.2.3推力调节技术应用场景148

4.2.4小结156

4.3推力调节主要方式156

4.3.1连续式推力调节157

4.3.2阶跃式推力调节158

4.3.3典型发动机推力调节方案159

4.3.4小结170

4.4推力调节设计案例170

4.4.1调节方案171

4.4.2系统仿真175

4.4.3控制系统189

4.4.4小结197

参考文献198
第5章推进剂交叉输送技术200

5.1发展历史及应用现状200

5.1.1交叉输送结构形式204

5.1.2交叉输送驱动控制方式211

5.2基于压力差控制方案的系统特性215

5.2.1额定状态系统参数设计215

5.2.2偏差工况系统调节特性229

5.2.3故障工况系统调节特性234

5.2.4小结238

5.3基于调节阀控制方案的系统特性239

5.3.1额定状态系统参数设计239

5.3.2偏差工况系统调节特性243

5.3.3故障工况系统调节特性248

5.3.4小结251

5.4交叉输送系统动力冗余控制策略251

5.4.1基于压力差的控制策略252

5.4.2基于调节阀的控制策略253

5.5交叉输送技术实现257

5.5.1交叉输送隔离阀257

5.5.2交叉管路可靠连接与分离260

5.5.3交叉增压技术265

参考文献272
第6章控制重构技术275

6.1发展历史及应用现状275

6.1.1任务重构与弹道规划技术发展现状275

6.1.2容错控制技术发展现状281

6.2任务重构与弹道规划技术286

6.2.1任务重构技术286

6.2.2弹道规划技术287

6.3容错控制技术299

6.3.1发动机故障对姿态动力学的影响300

6.3.2主动容错控制技术305

6.3.3被动容错控制技术316

参考文献327
第7章结构安全性设计技术332

7.1非爆炸故障结构适应性设计技术332

7.1.1设计方法332

7.1.2典型案例332

7.2爆炸冲击理论及仿真研究340

7.2.1爆炸冲击理论研究340

7.2.2爆炸冲击仿真研究343

7.3爆炸故障结构完整性设计技术348

7.3.1研究现状348

7.3.2防护结构设计典型案例351

参考文献358
第8章试验技术364

8.1仿真试验364

8.1.1概述364

8.1.2数学仿真367

8.1.3半实物仿真376

8.2实物试验383

8.2.1液体运载火箭发动机试验383

8.2.2交叉增压输送试验387

8.2.3POGO抑制试验392

8.2.4动力系统试车396

8.2.5飞行搭载试验400

参考文献406
附录408

附录A国内外火箭飞行故障情况统计（不完全统计）408

附录B国内外动力系统试车情况（不完全统计）438

本书围绕液体运载火箭动力冗余技术的工程设计进行详细论述，重点包括面向动力冗余的总体设计技术、故障诊断技术、发动机推力调节技术、推进剂交叉输送技术、控制重构技术等多项关键技术的研究成果。
本书共8章。第1章绪论，主要包括概述、国外发展情况、动力冗余主要途径、主要关键技术；第2章总体设计技术，主要包括设计准则、协同关系、研制流程、设计方法、可靠性分析和验证体系；第3章故障诊断技术，主要包括概述、发展历史及应用现状、技术路线规划、某型发动机典型故障建模仿真、故障诊断算法研究、故障诊断系统硬件设备；第4章推力调节技术，主要包括发展历史及应用现状、推力调节需求及研究模型、推力调节技术应用、推力调节技术实现；第5章推进剂交叉输送技术，主要包括发展历史及应用现状、基于压力差控制方案的系统特性、基于调节阀控制方案的系统特性、交叉输送系统动力冗余控制策略、交叉输送技术实现；第6章控制重构技术，主要包括发展历史及应用现状、任务重构与弹道规划技术、容错控制技术等；第7章安全性设计技术，主要包括发展历史及应用现状、结构防护技术、POLO抑制技术；第8章试验技术，主要包括仿真试验和实物试验。

容易，博士，研究员，国际宇航科学院通讯院士，第三批国家“万人计划”特需领域青年拔尖人才，现任航天一院长征二号F总设计师，中国航天科技集团有限公司学术技术带头人，航天一院运载总体技术领域首席专家。获军队科技进步二等奖1项，授权专利11项，受理专利30余项，发表科技论文30余篇，享受国务院政府特殊津贴，获中国科协求是杰出青年成果转化奖，中央企业劳动模范、全国三八红旗手、全国五一劳动奖章等荣誉称号