内容简介
《空间推进系统自主健康管理》全面论述空间推进系统自主健康管理概念、研究意义、主要研究内容、实现方法以及国内外*新研究进展，主要包括：空间推进系统动力学建模与仿真、推进系统故障模式与可诊断性分析、基于符号有向图的诊断方法、定性定量集成的故障诊断方法、基于解析冗余关系的故障诊断方法、故障条件下可恢复性分析、基于可满足问题的智能配置和重构方法、自主健康管理原型系统分析与设计等。
精彩书摘
第1章绪论
1.1研究背景与内涵
近十年来，随着神舟（SZ）系列飞行任务的圆满完成和嫦娥探月工程的顺利推进，中国航天事业已经在载人航天和空间探测领域取得了重大突破。
伴随着大型通信卫星、载人飞船、空间站、深空探测器（以下统称航天器）等空间应用的迅速发展，对高性能、高可靠性、长寿命航天器的需求也日益增长。保障航天器可靠运行的手段包括：①在设计阶段加入充分的模块冗余和功能冗余；②在测试阶段尽可能消除潜在故障源；③发射后采用故障诊断系统，实时监控航天器的运行状态，并在出现故障时采取相应的措施确保航天任务的完成。大型航天器通常结构复杂，由于空间环境的复杂性以及发射前测试的局限性，航天器在轨运行过程中的故障仍然难以完全避免。
空间推进系统是指为航天器提供控制力、控制力矩和小推力的系统，用于完成末速修正、轨道机动、轨道保持、姿态控制、交会对接、推进剂管理等任务［1］。到目前为止，大型空间推进系统主要采用双组元统一推进系统［2］，该系统采用双组元液体推进剂［绿色四氧化二氮（mixed oxides of nitrogen，MON）和甲基肼（methylhydrazine，MMH）］和“挤压式”推进剂供应方式，其典型系统由高压气瓶、增压气路、气路减压阀、推进剂贮箱、推进剂供应管路、主发动机/推力器组和各种控制装置组成。如无特别说明，后续书中的空间推进系统，均是指该系统。
空间推进系统要在空间环境中完成上述任务，其工作方式、技术性能和系统结构等方面具有如下明显特点［3］：①系统结构复杂，推进剂供应管路流量小，流通通道狭窄，且工作过程中几乎都有零部件在动作，堵、卡、漏等故障时有发生；②系统采用常温可贮存推进剂，易燃、易爆、毒性较大，且与金属和非金属材料相容性较差，所以安全性、可靠性问题突出，加注与工作时间越长，困难越多；③系统在恶劣空间温度环境长时间工作，*长工作寿命长达10～15年；④在发射的主动段，系统将承受运载火箭传递过来的较大振动及冲击载荷，可能导致分布于航天器四周的管路和刚性较差的承力结构件因局部产生谐振而受到破坏。
由于上述特点，推进系统一直是航天器的高发故障源。作为航天器的动力装置，推进系统故障轻则影响性能，重则导致寿命缩短甚至空间任务失败。1999年，毕龙生［4］介绍了1963～1994年的16起国外卫星推进系统故障，结果表明泄漏故障的影响往往都是严重的，甚至灾难性的。截至1995年底，美国、俄罗斯/苏联进行了249次载人飞行，共计发生了166次故障，其中推进系统故障约占25.2%［5］。2007年，赵海涛等［6］统计分析了DFH3系列卫星在轨故障，结果表明对卫星任务造成较大影响的重要故障主要发生在推进、供配电和控制分系统。2011年，谭春林等［7］收集了国外公开发布的共计527个航天器在轨故障，统计表明，航天器平台的控制、供配电、推进3个分系统发生的故障所占比例*高，达到了55%。2011年，俄罗斯发射的“福布斯土壤”火星探测器，其推进系统主发动机未能启动，导致任务失败。因此，发展空间推进系统故障诊断技术，对于提高航天器的可靠性和安全性，保证空间任务顺利完成具有重要意义。
广义的空间推进系统故障诊断任务，由低级到高级，可分为4个方面的内容：①故障检测，利用传感器测量或者遥测，得到反映推进系统当前工作状态的数据，经过特征提取后，做出二元决策，判断系统是否出现了故障；②故障隔离，狭义的故障诊断也称为故障隔离，即根据已有的异常状态信息，确定发生故障的位置和类型，例如，判断发生故障的部位是管路还是阀门，是泄漏还是阻塞故障等；③故障评估，估计故障的程度和属性，评价对航天任务的影响程度；④故障决策，根据故障评估的结果，采取相应的措施，尽可能保证航天器的安全和航天任务的完成。对于推进系统而言，可能的故障决策包括报警、改变工作状态、紧急关机、启动冗余备份、改变系统配置等。如无特别说明，后续书中的故障诊断，其内涵均是指广义的故障诊断。
不同于工业控制过程，空间推进系统故障诊断具有以下特点。
（1）长期运行，环境特殊，不确定性因素多。航天器长期暴露在太空环境中，导致其元器件、组件的故障概率较地面实验室条件下大幅增加。统计表明，1974～1994年有超过100起航天器故障都是由太空环境引起的。
（2）故障样本小和故障诊断经验不足。同一批次的航天产品数量有限，故障样本很难大量获取；产品的测试和检测次数有限，给予故障诊断的先验信息量少。出现故障之后，相关研制生产单位会进行故障归零并改进设计，因此重复故障样本更少，很难提取到有效的故障模式。
（3）潜在故障源多，故障危害性大。航天器是一个复杂的综合系统，运行期间存在大量潜在故障源；而推进系统任一组件出现故障，轻则影响性能，重则导致寿命缩短，甚至空间任务失败。
（4）航天器上资源有限。相对于系统的复杂度，传感器的数量很有
目录
目录
第1章 绪论
1.1 研究背景与内涵 001
1.2 空间推进系统动力学建模与仿真研究进展 003
1.2.1 推进系统静动态过程的数值模拟方法 003
1.2.2 推进系统模块化建模与仿真 005
1.3 空间推进系统故障诊断方法研究进展 007
1.3.1 故障可诊断性分析 008
1.3.2 故障诊断方法 009
1.3.3 故障诊断方法在航天领域的适用性分析 019
1.4 空间推进系统故障诊断系统的应用研究进展 021
1.5 自主健康管理理论方法研究现状与分析 026
1.5.1 故障检测 027
1.5.2 诊断推理 029
1.5.3 系统重构 040
1.6 自主健康管理系统研究现状与分析 043
1.6.1 国外健康管理系统研究进展 043
1.6.2 国内健康管理系统研究进展 047
第2章 空间推进系统动力学建模与仿真
2.1 引言 049
2.2 推进系统模块化建模方法 050
2.2.1 推进系统的模块化分解 051
2.2.2 模块的动力学建模 053
2.2.3 系统仿真模型的构建 054
2.3 推进系统的模块化建模 055
2.3.1 气路子系统模块 055
2.3.2 液路子系统模块 060
2.4 推进系统动力学仿真分析 063
2.4.1 推进系统动力学仿真模型及其验证 063
2.4.2 推进系统主供应管路的动态特性分析 066
2.4.3 推进系统姿控管网的动态特性分析 068
2.4.4 推进系统水击的抑制方法 071
2.5 推进系统故障仿真分析 075
2.5.1 推进系统稳态故障效应分析 075
2.5.2 推进系统故障过渡特性分析 082
2.6 结论 084
第3章 推进系统故障模式与可诊断性分析
3.1 典型推进系统的构成及工作过程 086
3.1.1 DFH卫星推进系统构成及工作过程 086
3.1.2 SZ推进系统构成及工作过程 088
3.2 推进系统故障模式与效应分析 092
3.3 推进系统故障可诊断性分析 097
3.3.1 故障可诊断性评价方法 097
3.3.2 故障可诊断性的度量指标 099
3.3.3 推进系统可诊断性实例分析 100
3.4 结论 106
第4章 基于符号有向图的诊断方法研究
4.1 引言 107
4.2 推进系统的SDG建模 108
4.2.1 SDG模型简介 108
4.2.2 SDG建模方法 112
4.2.3 推进系统的SDG模型 115
4.3 空间推进系统基于SDG模型的诊断实例 118
4.3.1 基于SDG模型的诊断策略 118
4.3.2 DFH卫星推进系统的诊断结果与分析 119
4.3.3 SZ推进系统的诊断结果与分析 121
4.4 基于SDG模型的推进系统传感器配置 123
4.4.1 基于可检测性的传感器配置 123
4.4.2 基于可隔离性的传感器配置 126
4.4.3 传感器配置实例与分析 126
4.5 结论 129
第5章 空间推进系统定性定量集成的故障诊断方法研究
5.1 引言 131
5.2 推进系统基于动态SDG模型的故障诊断方法 131
5.2.1 系统的动态SDG模型描述 132
5.2.2 基于动态SDG模型的诊断算法 133
5.2.3 SZ推进系统诊断实例分析 134
5.3 集成定量信息的动态SDG模型故障诊断方法 136
5.3.1 推进系统定量信息的分析 136
5.3.2 集成定量信息的动态SDG模型 139
5.3.3 SZ推进系统诊断实例分析 140
5.4 结论 142
第6章 空间推进系统基于解析冗余关系的故障诊断方法研究
6.1 引言 143
6.2 基于解析冗余关系的故障诊断方法 144
6.2.1 基于解析冗余关系的故障诊断问题 144
6.2.2 基于解析冗余关系的故障诊断 145
6.2.3 基于Ｚ－检验的残差定性化 145
6.2.4 基于诊断键合图构建解析冗余关系 147
6.3 基于解析冗余关系的推进系统故障诊断实现 148
6.3.1 诊断键合图的建立 148
6.3.2 解析冗余关系的建立 150
6.3.3 故障特征矩阵的产生 152
6.3.4 验证与结果分析 153
6.4 结论 158
第7章 推进系统故障条件下可恢复性分析
7.1 引言 159
7.2 系统结构配置栅格图 160
7.2.1 系统属性空间及其特性 162
7.3 故障条件下的可恢复性评估 164
7.3.1 部件效用性评估 164
7.3.2 属性空间评估 166
7.4 实例分析 171
7.4.1 DFH4卫星推进系统故障可恢复性评估 171
7.4.2 DS1推进系统故障可恢复性评估 172
7.5 结论 174
第8章 基于可满足问题的智能配置和重构方法研究
8.1 引言 175
8.2 空间推进系统配置与重构问题描述 177
8.2.1 配置与重构问题 177
8.2.2 系统状态转换关系 178
8.2.3 偏好性指标 181
8.3 基于可满足问题的空间推进系统配置与重构 181
8.3.1 系统智能配置与重构问题表示为可满足问题 184
8.3.2 基于子句权重的Ａ
试读
第1章绪论
1.1研究背景与内涵
近十年来，随着神舟（SZ）系列飞行任务的圆满完成和嫦娥探月工程的顺利推进，中国航天事业已经在载人航天和空间探测领域取得了重大突破。
伴随着大型通信卫星、载人飞船、空间站、深空探测器（以下统称航天器）等空间应用的迅速发展，对高性能、高可靠性、长寿命航天器的需求也日益增长。保障航天器可靠运行的手段包括：①在设计阶段加入充分的模块冗余和功能冗余；②在测试阶段尽可能消除潜在故障源；③发射后采用故障诊断系统，实时监控航天器的运行状态，并在出现故障时采取相应的措施确保航天任务的完成。大型航天器通常结构复杂，由于空间环境的复杂性以及发射前测试的局限性，航天器在轨运行过程中的故障仍然难以完全避免。
空间推进系统是指为航天器提供控制力、控制力矩和小推力的系统，用于完成末速修正、轨道机动、轨道保持、姿态控制、交会对接、推进剂管理等任务［1］。到目前为止，大型空间推进系统主要采用双组元统一推进系统［2］，该系统采用双组元液体推进剂［绿色四氧化二氮（mixed oxides of nitrogen，MON）和甲基肼（methylhydrazine，MMH）］和“挤压式”推进剂供应方式，其典型系统由高压气瓶、增压气路、气路减压阀、推进剂贮箱、推进剂供应管路、主发动机/推力器组和各种控制装置组成。如无特别说明，后续书中的空间推进系统，均是指该系统。
空间推进系统要在空间环境中完成上述任务，其工作方式、技术性能和系统结构等方面具有如下明显特点［3］：①系统结构复杂，推进剂供应管路流量小，流通通道狭窄，且工作过程中几乎都有零部件在动作，堵、卡、漏等故障时有发生；②系统采用常温可贮存推进剂，易燃、易爆、毒性较大，且与金属和非金属材料相容性较差，所以安全性、可靠性问题突出，加注与工作时间越长，困难越多；③系统在恶劣空间温度环境长时间工作，*长工作寿命长达10～15年；④在发射的主动段，系统将承受运载火箭传递过来的较大振动及冲击载荷，可能导致分布于航天器四周的管路和刚性较差的承力结构件因局部产生谐振而受到破坏。
由于上述特点，推进系统一直是航天器的高发故障源。作为航天器的动力装置，推进系统故障轻则影响性能，重则导致寿命缩短甚至空间任务失败。1999年，毕龙生［4］介绍了1963～1994年的16起国外卫星推进系统故障，结果表明泄漏故障的影响往往都是严重的，甚至灾难性的。截至1995年底，美国、俄罗斯/苏联进行了249次载人飞行，共计发生了166次故障，其中推进系统故障约占25.2%［5］。2007年，赵海涛等［6］统计分析了DFH3系列卫星在轨故障，结果表明对卫星任务造成较大影响的重要故障主要发生在推进、供配电和控制分系统。2011年，谭春林等［7］收集了国外公开发布的共计527个航天器在轨故障，统计表明，航天器平台的控制、供配电、推进3个分系统发生的故障所占比例*高，达到了55%。2011年，俄罗斯发射的“福布斯土壤”火星探测器，其推进系统主发动机未能启动，导致任务失败。因此，发展空间推进系统故障诊断技术，对于提高航天器的可靠性和安全性，保证空间任务顺利完成具有重要意义。
广义的空间推进系统故障诊断任务，由低级到高级，可分为4个方面的内容：①故障检测，利用传感器测量或者遥测，得到反映推进系统当前工作状态的数据，经过特征提取后，做出二元决策，判断系统是否出现了故障；②故障隔离，狭义的故障诊断也称为故障隔离，即根据已有的异常状态信息，确定发生故障的位置和类型，例如，判断发生故障的部位是管路还是阀门，是泄漏还是阻塞故障等；③故障评估，估计故障的程度和属性，评价对航天任务的影响程度；④故障决策，根据故障评估的结果，采取相应的措施，尽可能保证航天器的安全和航天任务的完成。对于推进系统而言，可能的故障决策包括报警、改变工作状态、紧急关机、启动冗余备份、改变系统配置等。如无特别说明，后续书中的故障诊断，其内涵均是指广义的故障诊断。
不同于工业控制过程，空间推进系统故障诊断具有以下特点。
（1）长期运行，环境特殊，不确定性因素多。航天器长期暴露在太空环境中，导致其元器件、组件的故障概率较地面实验室条件下大幅增加。统计表明，1974～1994年有超过100起航天器故障都是由太空环境引起的。
（2）故障样本小和故障诊断经验不足。同一批次的航天产品数量有限，故障样本很难大量获取；产品的测试和检测次数有限，给予故障诊断的先验信息量少。出现故障之后，相关研制生产单位会进行故障归零并改进设计，因此重复故障样本更少，很难提取到有效的故障模式。
（3）潜在故障源多，故障危害性大。航天器是一个复杂的综合系统，运行期间存在大量潜在故障源；而推进系统任一组件出现故障，轻则影响性能，重则导致寿命缩短，甚至空间任务失败。
（4）航天器上资源有限。相对于系统的复杂度，传感器的数量很有
