再入飛行器防熱系統故障注入技術研究

趙陽+萬方義

摘要故障注入是一種可靠性驗證技術，在飛行器系統綜合健康評估與安全性提高方面具有重要作用。本文提出了一種基于模擬的故障注入技術，采用ANSYS二次開發功能實現了飛行器防熱系統的故障仿真與注入。利用c++語言設計了一套故障注入軟件，針對飛行器防熱系統三類典型故障模式進行了模擬注入，結果驗證了該方法的可行性與實用性。

關鍵詞防熱系統；仿真；故障注入

再入飛行器（Reusable launch vehicle，RLV）研制過程存在各種各樣的技術難題，而在解決這一系列技術難題之前，首先要完成的一項工作便是防熱系統的設計。防熱系統（Thermal Protection System，TPS）能夠有效保護機體免受外部熱氣流毀滅性的高溫破壞，然而，由于惡劣的飛行環境以及結構工藝和技術等多方面的原因，防熱系統也成為RLV中一個極易出現損傷和故障的系統。

近年來，隨著“虛擬樣機”和“虛擬現實”技術的快速發展和廣泛應用，通過模擬仿真手段對防熱系統數值模型進行故障引入和響應分析，為防熱系統設計及其健康管理技術研究開辟了一條經濟高效的發展道路。

本文以再入飛行器金屬防熱瓦為研究對象，在其典型故障模式分析基礎上，通過仿真模擬的手段進行故障注入，并利用Visual c++設計了一套防熱瓦故障注入軟件，用以研究飛行器防熱系統的特性以及優化系統設計。

1模型及分析

典型的金屬防熱瓦由表層鎳基高溫合金蜂窩夾層板、封裝Saffil隔熱纖維的高溫合金箔盒和底層鈦合金蜂窩結構組成，厚度及材料參數見表1。

金屬防熱瓦的主要故障模式可歸納為表面涂層剝落、撞擊損傷、瓦間縫隙3種。參照表1數據，建立金屬防熱瓦的三維數值模型，表面施加熱流密度形式的氣動熱載荷，其余五面可以取作絕熱壁面。仿真過程采用1/4瓦塊模型，本文將損傷區域簡化為規則形狀，同時限定損傷區域位于防熱瓦中心以節省計算量，圖1給出了故障建模過程。

2注入原理及軟件設計

結合ANSYS二次開發工具APDL（ANSYSParametric Design Language），進行防熱系統故障模型的參數化建模、加載、求解及后處理，能夠實現不同的故障模式、不同程度以及單一或耦合故障形式的參數化仿真計算，從而為防熱系統故障響應分析及實現模擬故障注入提供便利。

圖2給出飛行器金屬防熱瓦故障注入原理，并結合Visual c++語言對故障注入軟件進行設計和實現，軟件包含4個模塊：人機交互界面、故障選擇器、故障注入器和結果分析器。

1）交互界面進行故障位置、模式、程度等參數選取，同時負責故障注入結果信息顯示，包括溫度/應力云圖，各測點溫度/應力曲線、表格、統計數據等；2）故障選擇器根據用戶所選故障參數，從故障庫內匹配對應的模型、載荷、求解和后處理等命令，通過APDL宏文件進行導出和保存；3）故障注入器包括信息確認、模型預覽、修改故障，以及故障注入過程的開始和終止控制。開始故障注入后，軟件通過宏文件調用ANSYS進行防熱瓦在2 400s再入過程中的熱力學瞬態分析；結果分析器將仿真數據進行后處理，生成四個關鍵時刻（150s、1200s、1800s、2400s）的溫度云圖和6個關鍵測點（分別位于防熱瓦中線和側邊中線上的表層、中層、底層共6個點）的溫度歷程曲線及表格。此外，軟件還對計算結果進行了初步統計，包括歷程最高溫度、最低溫度、平均溫度、歷程溫度梯度以及正常狀態下的溫度對比等。

3算例

令飛行器再入開始時防熱瓦受到沖擊，造成40%表面涂層和15%撞擊損傷，在故障設置界面選擇相應的故障模式并開始注入，程序將后臺啟動ANSYS讀取宏文件開始仿真，計算所得損傷模型及計算結果如圖3所示。

上表面撞擊區域A點的最高溫度達到了1200℃，比未損傷區域D點高出450℃；瓦塊中層B和E兩測點的溫度走勢表明，損傷區域下方的局部溫度會明顯高于其他部位，其原因是損傷失效范圍直接抵達隔熱材料，而隔熱材料自身熱導率很低，不能及時有效傳遞熱量，一旦熱流直接抵達，損傷處溫度會急劇上升。針對不同損傷程度進行故障注入，結果表明損傷越深高溫區越接近底部，對防熱瓦底部溫度情況影響越大，更易給飛行器帶來直接的高溫危險。

再選取3mm縫隙故障進行注入，該故障模式下4個關鍵測點分別位于縫隙頂部、中部和底部，以及縫隙下層蒙皮部位，注入結果如圖4所示。

整個再入過程中縫隙中部mid點和表面的top點溫度相當，可見縫隙對內部區域溫度的影響是較大的，同時其溫度變化存在升溫和降溫兩個過程，但降溫過程較緩慢?？p隙底部和蒙皮表面的溫度在整個過程中持續上升，且底部溫度已超過了210℃，同時由于縫隙上部溫度依然高于此處的溫度值，這兩個關鍵的溫度還會上升，對機體結構構成了威脅。因此，縫隙的存在給飛行器帶來的隱患是不可忽略的。

4結論

本文將Visual c++程序設計語言與ANSYS二次開發技術相結合，用于再入飛行器防熱系統典型故障的模擬注入，不僅避免了高難度的實體實驗造成的人力物力耗費，而且簡化了傳統仿真流程、提高了計算效率和重復使用性，從而加快飛行器防熱系統設計初期的研究進度。

作為一種測試驗證方法，模擬故障注入技術可以進一步與故障診斷和預測技術相結合，針對飛行器防熱系統搭建起一個健康管理演示驗證平臺，對于早期發現潛在隱患、避免或減少意外故障發生具有參考和應用價值。