Способ контроля технического состояния жидкостного ракетного двигателя на переходных режимах стендового испытания
METHOD FOR MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF A LIQUID ROCKET ENGINE IN TRANSITIONAL MODES OF A BENCH TEST

Область техники
Изобретение может быть использовано для анализа функционирования широкого класса технических систем, в частности, в ракетно-космической технике для контроля состояния жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) на переходных режимах стендового испытания.
Уровень техники
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является способ и устройство контроля параметра ракетного двигателя (патент 2 654 310, МПК F02K 9/96 от 17.05.2018) предлагающий для выявления неисправностей ЖРД как на установившихся, так и на переходных режимах его функционирования различные оценки различий значений параметров двигателя, непосредственно измеренных в момент анализа и некоторых эталонных значений. Эталонные значения параметров определяются моделированием, пороговые значения различий, в частности, по известным погрешностям измерений используемых датчиков. Отмечается, что использование такого универсального подхода при контроле двигателя на переходных режимах очевидно требует расширения диапазонов пороговых значений для избежания ложного диагностирования, для чего предлагается учитывать динамику изменения рабочей точки путем использования предварительно рассчитанной переходной характеристики, определяемой предварительно.
Этот способ принят за прототип, так как в нем предложен способ контроля состояния ракетного двигателя на переходных режимах, анализ проводится по мере поступления результатов измерений параметров двигателя экспериментальных данных и диапазон пороговых значений измеряемых параметров так или иначе зависит от текущей анализируемой ситуации.
Очевидным недостатком предлагаемого способа является необходимость адекватного моделирования динамических процессов в современных мощных ЖРД на переходных режимах их работы, что является одной из самых сложных инженерных задач, решаемых для каждого типа двигателей индивидуально с привлечением экспертов высокого уровня.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в разработке способа контроля технического состояния ЖРД на переходных режимах стендового испытания, который заключается в том, что для принятия решений о возникновении неисправности, прекращении испытания и определении неисправного агрегата применяется анализ значений измеряемых параметров ЖРД и отличается тем, что статистической оценке по алгоритму на основе критерия Стъюдента, разработанному для выявления результатов повторных измерений с аномальными погрешностями (Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. - М.: Высшая школа, 1982. - 224 с.), подвергаются ряды значений градиентов изменения значений измеряемых параметров двигателя. В случае превышения текущих значений статистических характеристик их пороговых значений фиксируют факт и момент наступления неисправности и прекращают испытание ЖРД для предотвращения развития выявленной неисправности. По очередности выхода статистических характеристик за пороговые значения определяют неисправный агрегат ЖРД и впоследствии заменяют его исправным.
Технический результат заключается том, что становится возможным выявление и парирование влияния на двигатель неисправностей, развивающихся на переходных режимах стендового испытания ЖРД, что в конечном счете обеспечивает выключение двигателя до начала необратимых изменений и предотвращение катастрофических последствий.
Поставленная цель достигается за счет того, что при стендовом испытании, проводимом по заданной циклограмме, на режимах плавного и длительного дросселирования или форсирования ЖРД градиенты изменения измеряемых параметров обладают свойством стационарности, так как на таких режимах управление двигателем обеспечивается изменением угла привода агрегата управления α(t) по линейному закону:
s
α
α
где α - угол на предшествующем стационарном режиме, k - градиент угла, причем k - постоянная величина, определенная известными углами агрегата управления, соответствующими заданными циклограммой испытания предшествующему и последующему стационарным режимам.
При этом изменение параметра двигателя x(t) на большей части достаточно длительного переходного режима с учетом условия линейности процессов в двигателе при малых возмущениях при управлении можно представить на малых отрезках времени Δt, меньших постоянной времени двигателя, также в виде линейной функции
x
Поэтому градиенты изменения контролируемых параметров двигателя на переходных режимах K должны обладать свойством стационарности и могут рассматриваться как косвенные измерения, погрешности которых, в случае нормальной работы двигателя, распределены по нормальному закону и составляют для каждого параметра свой временной ряд.
Резкое значительное изменение стационарного характера градиентов и связанное с этим изменение статистических характеристик рядов их значений, получаемых за весь период от начальной точки данного переходного режима до рассматриваемой, свидетельствует о возникновении неисправности.
В таком случае испытание ЖРД прекращают для предотвращения развития выявленной неисправности, определяют неисправный агрегат ЖРД и впоследствии заменяют его исправным.
Сущность способа поясняется на фиг. 1, 2, на которых приводится поведение по времени переходного режима дросселирования конкретного ЖРД текущих (сплошная линия) и критических критериев Стьюдента (пунктир) для градиентов изменения значений оборотов вала ТНА ЖРД и давления горючего на входе в смесительную головку камеры сгорания. На данном нестационарном режиме на 43,85 секунде испытания произошло несанкционированное срабатывание клапана, установленного в магистрали подвода горючего в газогенератор, которое было вызвано неисправностью. Как видно на фиг. 1 и фиг. 2, статистический анализ градиентов изменений значений давления горючего на входе в смесительную головку камеры и оборотов вала ТНА по критерию Стьюдента фиксирует действительное время возникновения неисправности на 43,85 секунде испытания на режиме дросселирования двигателя как момент нарушения стационарности градиента изменения этих параметров.
Осуществление изобретения
На текущем переходном режиме испытания ЖРД с определенным малым шагом по времени измеряются параметры рабочих процессов ЖРД.
x
По мере поступления экспериментальных данных каждого параметра формируется временной ряд, состоящий из значений его K, определяемых в соответствии с (1).
x
Для каждого временного ряда определяется эмпирическое значение критерия Стьюдента τ, соответствующее данному моменту времени и косвенно измеренному в этот момент времени значению K
где σ - среднее квадратическое отклонение и  - среднее значение временного ряда, состоящего из значений градиентов изменения анализируемого параметра, полученных за период от начала данного режима до рассматриваемой.
Текущая граница критической области  определяется по формуле
где  - критическое значение распределения Стьюдента для текущего числа точек временного ряда градиентов n и заданного уровня вероятности р.
Решение о возникновении неисправности ЖРД и передачи сигнала о прекращении испытания на стендовую систему управления испытанием для предотвращения развития неисправности принимается в случае если
Измеряемый параметр, значения градиента которого первыми вышли за критические значения, определяет неисправный агрегат, который впоследствии заменяют на исправный.
Промышленная применимость
Применение указанных действий обеспечит обоснованное обнаружение неисправности на переходных режимах стендового испытания ЖРД в режиме поступления экспериментальных данных, предотвращение развития неисправности и определение неисправного агрегата с его последующей заменой.