固体火箭发动机故障诊断技术现状及发展思考

固体火箭发动机故障诊断技术现状及发

展思考

摘要：固体发动机故障诊断技术的发展，其最终目的是为了达到健康监控，

增强可靠性。尽管目前国内外发动机故障诊断方法日益增多，但是仍然需要对发

动机故障诊断技术进行深入研究，以提高发动机在各种应用场景和各种载荷环境

中的故障诊断能力及有效性。鉴于此，本文主要分析固体火箭发动机故障诊断技

术现状及发展。

关键词：固体火箭；发动机；故障诊断

中图分类号：V435 文献标识码：A

1、引言

按缺陷出现的位置，我们可把固体火箭发动机的缺陷分为燃烧室和喷管两类。其中燃烧室缺陷又可进一步细分成粘结界面脱粘缺陷与药柱缺陷2类。粘结界面

脱粘缺陷，是危害发动机安全性的元凶。

2、固体火箭发动机的故障分析

2.1、粘接界面

脱粘缺陷我们可以按粘接界面缺陷划分为如下5种，分别是壳体和绝热层界

面脱粘和绝热层和衬层界面脱粘、衬层与推进剂药柱之间的界面脱粘、层间脱粘、层间粘结界面疏松。其中壳体和绝缘层间界面脱粘多为生产环节绝热层贴片粘接

时壳体没有被清洗。壳体和绝缘层之间粘结失效，直接影响固体火箭发动机正常

工作。同时固化加热加压不合适，粘结剂品质不佳以及贮存老化也可能诱发壳体

和绝缘层之间的界面脱粘现象。技术人员喷涂衬层的过程中，由于绝缘层清洗不

完全或者衬层和绝缘层材料的化学相容性较差，均会造成界面脱粘现象的发生，

存在绝缘层和衬层界面脱粘现象。衬层和推进剂药柱之间界面脱落多由储存时老

化或者过度应力引起。层间脱粘主要与绝缘层层次结构比较复杂有关，层次越高，各层粘接牢固度随之下降。层间粘结界面松散有分层与微孔2种类型。绝热材料

粘接过程中，各层粘接不牢或者固化压力不够都有可能发生界面疏松的现象，从

而导致脱粘缺陷。

2.2、药柱缺陷

按药柱缺陷轻重，可把这种缺陷划分为下列几种类型：第一，药柱灌注推进

剂药浆时，因排气不畅而失效，造成柱内气体残留量大，推进剂固化时产生气孔。同时如果浇注时药浆温度和芯模温度相差太大，则会在某种程度上对药浆流动性

造成影响，从而出现孔洞；另一种是推进剂力学性能较差，拔模时药柱受外界施

加拉力及交变温度综合影响而开裂；当推进剂整个浇注结束时，部分异物会不小

心掉入未充分凝固的药柱中，最后发生夹杂现象，从而直接影响推进效果；在储

存药柱时，因储存管理不到位而造成药柱表面龟裂，拖湿和变形等现象，从而影

响药柱表面平整；过长时间的储存或空闲造成限燃层与包覆层脱粘等现象直接影

响到发动机功能正常实现。

3、固体火箭发动机故障诊断技术现状

3.1、基于知识的故障诊断方法

其方法主要是将检测得到的信息加工后与历史故障信息加工数据相比较，利

用专家知识判断发动机是否处于健康状况。由于对过程机理模型没有依赖性，因

此这种方法对于那些因为信息不足或其他原因不能得到精准机理模型进行故障诊

断是合适的。

发动机的检测技术大致可以分为两大类：一类是具有微损/损坏的取样测试，另一类是无损检测。前者主要是通过切削，挖掘，采集等手段从发动机机体的关

键或重要结构部件（如推进剂等）上获取试样，并对其理化性能进行测试。具体

测试方法包括常规力学测试、动态热机械分析（DMA）、正电子湮没分析方法、X

射线光电子能谱、傅里叶红外光谱技术、压入测量、微型CT等。具体评估性能

参数包括伸长率，强度及弹性模量宏观力学性能和动态模量，元素含量，内部缺

陷特性及微观结构。取样手段从手工操作发展到车削，铣削，锯割，复合切割自

动化。

3.2、基于机理模型的故障诊断方法

这种方法主要根据产品或者系统的失效机理建立一个比较准确的数学模型，

利用监测技术得到系统的真实历程数据并对模型进行比对来分析，计算所述二者

之间的距离，在此基础上对有无失效进行排查和寿命预测。发动机作为长期贮存

且一次性服役的特殊产品，其故障诊断包括贮存状态与工作过程的故障监测两部分，在现有技术水平下，该领域的研究多聚焦在前者。由于贮存失效机理明确，

发动机贮存过程的诊断方法重点研究了对发动机典型部组件载荷或者响应进行监

测的技术。

3.3、基于数据驱动的故障诊断方法

本发明提供了一种数据驱动发动机故障诊断方法，该方法直接根据发动机实

测数据判断有无故障或者判断故障的性质和种类。数据驱动法区别于以机理模型

为基础的故障诊断，它避免了产品性能退化的物理分析过程，通过各种统计方法

及智能算法直接实现监测数据的统计分析及信息挖掘，获得了产品退化时的一些

特性，应用于个体产品故障诊断与寿命预测。

综上所述，在人工智能，深度学习，大数据和云计算等数据科学蓬勃兴起的

背景下，数据驱动故障诊断方法势必得到更多重视。

3.4、超声波检测技术

超声波探伤包括脉冲反射法，穿透法和共振法等，目前使用最为广泛。

①脉冲反射法。脉冲反射法主要是利用超声波强反射性能来检测故障，对于

接口脱粘以及壳体和衬层粘接质量的故障检测都是十分有效的。脉冲反射法超声

波传播时间很短，当包覆层或者推进剂遇有缺陷或者底面时发生反射。探头在接

收反射波时，通过对发射波接收状况的判断来判断缺陷，并最终获得缺陷所在的

位置及其大小尺寸。②穿透法。穿透法适合固体火箭发动机推进剂的无损检测，

采用超声波穿透检测故障，如果药柱内出现故障，收到的能量会降低，反之亦然。

穿透法灵敏度不高，无法探测到微小的缺陷或定位缺陷，但是适用于探测超声波

衰减较大的物质，而且还可以避免盲区。

超声设备成本低廉、不伤害人体、检测方法简单、易于实现，多用于平面状

火箭发动机故障检测。从检测精度方面看，超声波穿透法缺陷定位精度远高于传

统检测法。同时穿透法具有检测成本低、检测周期短等特点，目前被广泛应用于

固体火箭发动机缺陷检测。但超声探伤对于缺陷性质的判断不够直观、经验性较强，而探伤面平整度、光洁度等因素直接影响到检测结果准确度。超声波设备尽

管穿透能力强，但是只限于细晶材料。超声波对粗晶材料衰减比较严重，不能满

足粗晶体材料探测需要。

4、发展路径

（1）试验从检测技术到监测技术目前，发动机检测技术仍是获取故障信息

的主要而可靠的技术；无损检测技术的持续发展使得检测的精度与效率越来越高；在微损伤/破坏性测试技术方面也取得了新进展。今后监测技术是在线持续获得

发动机状态改变的一个重要途径。（2）诊断从专家认知到机理模型和数据驱动

伴随监检测技术进步，故障识别技术已从专家个体认知判断转向机理模型研究、

数据驱动及二者混合走向的变化，通过信息手段把对专家经验的理解与判断纳入

到诊断之中。（3）贮存过程故障诊断仍然是关键发动机监测技术的研究以贮存

过程为主线，监测对象将由界面延伸至发动机各大零部件。与此同时，一些工作

过程的监测技术逐渐引起了人们的重视。（4）监检测技术飞速发展在先进材料

与信息技术的推动下，发动机监检测与诊断技术得到了飞速发展，可测参数也不

断增加、测试精度不断提高，传感器体积不断减小，传感器能耗不断降低，甚至

研制出无源和无线传感器。

5、结束语

由于固体火箭发动机缺陷具有复杂性，至今还没有确定一种最为理想的检测

技术或检测标准来探伤检测全部缺陷，所以在实际检测时，要与不同类型发动机

具体构造相结合，综合考虑探伤对象特点，检验目的和要求，检验成本和检验周期，，由此可见，本文的研究也就显得十分的有意义。