可重复使用液体火箭发动机突变减损控制理论与方法研究

As a new fault control technique, damage-mitigating control is very important to extend the service life and improve the reliability and security of the reusable liquid-propellant rocket engines.So,the mechanism of the gestation,occurrence and evolvement of the structural damage will be firstly explored for the engines.Secondly,to solve the high-dimensional and non-linear limitations existed in the dynamic modeling and analysis of damage-mitigating control for engines,a catastrophe theory based method will be studied and proposed in the project based on the odd point theory and topology method. Thirdly, in order to explore and construct the physical mechanism and damage-mitigating disciplines of the catastrophe process for engine's structural damage, problmes such as the borderlines,distribution rules and detailed critical conditions of the catastrophes will be not only analyzed and researched based on the constructed catastrophe models, and also the results will be uesd to found effective methods of quantitative description and computation for the optimal strategy in the catastrophe damage-mitigating control of engines. Results of the research will not only provide great promotion for the research in the damage-mitigating control mechanism and method of resuable rocket engines, and also they will advance the theoretic and technical level in current fault control of liquid-propellant rocket engines a lot. In addition，the methods founded can also provide important use of reference for the research in the similar problems such as the breathe control, flameout protection control and heat-transformation depravation control of aeroengines, hypersonic inlet unstart control of scramjet,and so on.

减损控制作为一种新型故障控制技术，是延长可重复使用液体火箭发动机工作寿命、提高可靠性和安全性的重要手段。本项目将开展可重复使用液体火箭发动机结构损伤孕育、发生和演化发展机理的探究；运用基于奇点理论、拓扑学方法的突变理论建模方法，解决发动机减损控制结构损伤动力学建模所面临的高维非线性问题；利用所建立的突变模型，进行发动机结构损伤的突变机制、突变边界及其分布规律、临界条件等突变动力学问题的分析与研究；建立发动机突变减损控制优化问题的定量描述和求解方法；探索建立发动机结构损伤突变过程的物理机理和减损控制规律。项目研究成果不仅将对可重复使用液体火箭发动机结构损伤机理和减损控制方法的研究产生推动，有效提升其故障控制的理论技术水平，而且所形成的方法可为同类问题（如航空发动机喘振控制、熄火保护控制、传热恶化控制，超燃冲压火箭发动机不起动控制等）的研究提供重要的参考借鉴意义。

减损控制作为一种新型故障控制技术，是延长可重复使用液体火箭发动机工作寿命、提高可靠性和安全性的重要手段。本项目以我国新型可多次重复使用的120吨液氧/煤油火箭发动机为背景，采用理论分析与数值仿真相结合的方法，首先进行了发动机系统动力学模型的建立与仿真分析研究，开发出一种通用的液体火箭发动机模块化仿真模块库LRESim，可用其仿真研究发动机起动、稳态、转工况、关机等工作过程以及不同的发动机系统方案设计中的有关问题；研究发现，流量调节器起动流量、流量调节器转级速率、末端流量等参量的设置对发动机瞬变过程具有重要影响。对于可重复使用液体火箭发动机而言，这些参量的设置不仅影响发动机动态特性，而且直接影响关键部件损伤的发展。.其次，开展了可重复使用液体火箭发动机关键易损部件涡轮和冷却夹套隔片的结构损伤孕育、发生和演化发展机理的探究；运用基于奇点理论、拓扑学方法的突变理论建模方法，解决发动机减损控制结构损伤动力学建模所面临的高维非线性问题；利用所建立的突变模型，进行发动机结构损伤的突变机制、突变边界及其分布规律、临界条件等突变动力学问题的分析与研究。在此基础上，利用建立的模型，系统地探究了发动机系统起动、转工况和关机等过程中冷却夹套隔片和涡轮损伤发展规律，研究结果表明，进行发动机减损控制，需要重点针对瞬变过程进行减损。通过对材料性能和冷却通道结构对冷却夹套隔片损伤影响的研究，以及瞬变过程中流量调节器流量和转级速率对冷却夹套隔片和主涡轮损伤影响的研究，发现：不同的起动方案和工况调节方案所引起的关键部件损伤增量差异很大，对这些方案进行优化设计，对提高关键部件耐用性和发动机可靠性十分有益。.最后，系统地研究了发动机减损控制律综合分析问题，发展并实现了基于多目标粒子群算法的发动机减损控制方法。指出发动机减损控制律的综合分析问题可转换为由发动机系统性能目标函数、冷却夹套隔片损伤目标函数、主涡轮损伤目标函数等构成的多目标优化问题，优化得到的控制输入序列即为发动机减损控制律。项目研究成果不仅将对可重复使用液体火箭发动机结构损伤机理和减损控制方法的研究产生推动，有效提升其故障控制的理论技术水平，而且所形成的方法可为同类问题的研究提供重要的参考借鉴意义。