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重复使用跨大气层飞行器防热系统健康监控技术研究

张茂  
【摘要】:重复使用跨大气层飞行器(RLV)是新一代的天地往返运载系统。在RLV穿越大气层的过程中会产生气动加热现象,为了防止机体结构在热流作用下被烧蚀解体,RLV的外表覆盖着一层防热系统。在严酷的环境条件和载荷作用下,防热结构出现故障的概率高于一般结构,而一旦防热结构发生破坏,飞行器蒙皮就可能被高温气流烧穿,造成严重的事故。为了及时了解防热系统的状况,防止和控制其故障的发展,必须对防热结构进行实时健康监控。 本文通过对防热系统结构特征和历史故障数据进行分析,概括了防热系统的常见故障模式,并选择了其中的结构损伤和连接失效两类四种故障进行定量分析。对陶瓷防热瓦建立了有限元模型,计算了防热瓦在正常情况和发生表层损伤、冲击损伤、脱落之后的传热情况;对金属防热面板建立了模型,计算了其发生螺栓脱落故障之后的模态参数的变化。计算表明对温度和频率参数用于防热结构实时监控是可行的。 在对防热系统故障进行了定性和定量分析之后,本文提出了上升、再入段监测和在轨检测相结合,大范围温度场监测和局部点测相结合的防热系统健康监控初步实施方案。对健康监控不同阶段的任务进行了阐述,分析了温度场监测和局部点测各自的监控部位、侧重点和监测参数等。针对防热系统的特点,给出了空地协调配合的监测策略,探讨了机上实时监测的故障识别方法。 最后,本文在虚拟仪器平台上构建了防热系统健康监控的演示验证软件,通过软件集中展示了实时健康监控的实现过程和效果。软件运行情况表明,文中选用的基于置信区间的温度数据分析和基于马氏距离的状态判别是有效的。


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