近年来，航天领域高速发展，承担向太空运输人员与货物的运载火箭的发射频次也越来越高，而火箭的发射成本十分高昂，为了实现航天的可持续发展，降低运载火箭的运营成本是必然要求。为了降低火箭发射成本，各航天国家展开了激烈竞争，可重复运载器的可靠性维护技术成为各国的重要研究课题。
一、面向航班化的可重复运载器可靠性维护技术
随着人类对太空资源的开发需求不断增加，航班化成为航天运输装备发展的重要目标。可重复使用运载火箭作为能够实现向太空航班化运输的复杂装备，对其进行航班化可靠性维护分析具有重要意义。可重复使用的复杂运输装备有轨道车辆、运载火箭、航空飞机等，其中民用飞机已经建立了成熟的航班化制度与维修体系，其对可重复使用运载火箭的航班化可靠性维护技术具有一定的借鉴意义。一般可靠性维护主要包括日常维护与定检维护，故本节将针对可重复使用火箭提出一些日常维护和定检维护的构想。
（一）可重复使用火箭日常维护构想
随着可重复运载技术与维护技术的发展，可通过日常维护来延长运载火箭的使用寿命，有利于每次发射时火箭任务可靠性目标的实现。
参考民用飞机的实践，其一般在日常起飞前、短停、降落后都会进行简单的检查与维护，及时排除可能发生的故障与偏差，保证其可靠性与安全性，以提高航班的正点率。其工作项目有目视检查、操作测试、勤务等。例如，起飞前的绕机检查，检查飞机外部有没有受到损伤或污染，检查各指示灯确认飞机状态，检查发动机叶片、起落架、飞机轮胎等关键部位，进行补加润滑油等日常维护工作。
针对可重复使用火箭，其日常维护主要包括发射前检查和回收检查维护两个方面。在发射前的检查中，相关人员对火箭进行外部围绕检查，检查火箭结构与表面、火箭发动机、载荷分离机构等关键部件的状态，以保证火箭发射任务的顺利完成。在火箭回收后，由于火箭承受了巨大的热和应力，这与民用飞机有显著不同，因此回收后的维护检查则更为重要。需要检查火箭的结构系统是否有裂缝等损伤、连接部位的密封性，清理表面等；同时对火箭发动机系统、电气系统等关键系统进行检查，对损坏的部件进行维修或更换。
（二）可重复使用火箭定检维护构想
对于可重复使用火箭，其定检维护最重要的两个关键技术就是确定定检维护的周期和维护项目。民机定检一般是指飞机到了一定的飞行服务维修期限后，就必须到相应授权的维修厂家进行定期保养。而由于可重复使用火箭与飞机在结构、年限、使用环境等方面情况有明显不同，因此定检保养的间隔会有所不同，所需进行的维修项目也要进行具体分析。
1.可重复使用火箭定检周期的确定
对于飞机而言，其定检周期一般根据起降次数、飞行小时、飞行年限这3个寿命指标划分，以先到达的为准。对于可重复使用运载火箭定检周期的确定，可以将火箭发射次数、飞行时间或日历日作为指标。例如，可以按照发射次数来划分检测与维护的等级，在火箭完成第3次发射任务、第6次发射任务、第9次发射任务后将对火箭采取不同程度检修（可以记为小修、中修、大修）。随着发射次数的增加，系统部件不断退化，在定期维护中需要对火箭的关键系统进行状态检测，及时维修或更换损伤的部件。
此外，随着可重复使用运载器维护技术的提高，未来可以制定更详细的定检维护计划。参考民用航空器的一般维护技术，根据维护周期的长短将可重复使用运载火箭的定检维护分为A检、B检、C检、D检等，同时分成不同等级，如1C检、2C检。其中A检为周期最短、最基础的定检项目，检查运载火箭的一般状态；D检为周期最长、级别最高的维修项目，是将整个火箭完全拆开，来检测每个零件是否符合标准。基于此，可以制定相关维修间隔表格，便于开展可重复使用运载火箭定检维护工作。表1为可重复使用运载火箭的定检维护周期表。
表1 可重复使用运载火箭的定检维护周期表
2.可重复使用火箭定检维护项目的制定
飞机不同等级定检的项目清单主要是根据飞机制造商的维修计划文件（MPD）来制定的，且对于不同机型，其维修项目也有所不同。某民用航空器的维修作业项目清单如表2所示。表2描述了各系统的具体检查项目，并说明了其维修任务执行控制方式。
表中：门槛是指维修任务执行时限值，FH表示飞行小时，FC表示飞行循环，MO表示月，YE表示年；ATA分类是指航空运输协会将飞机系统按照章节进行分类。可以看出，其维护项目是按照各飞机系统来安排的。因此，可重复使用运载火箭检查维护的主要项目也应该包括对火箭外部、内部等进行目视检查，对安全系统进行多次测试验证，以及对火箭发射和飞行任务影响较大的一些关键动力、电气、机械、结构系统等进行检查。
表2 某民用航空器的维修作业项目清单
另外，可重复使用运载火箭的故障数据对其航班化的可靠性维护具有重要参考价值。通过对其故障信息进行分析，发现动力、着陆回收系统、电气和结构系统等关键系统对运载火箭的安全可靠性及可重复使用性能具有很大影响。本文暂不考虑着陆回收系统，而是对可重复使用运载火箭的发动机、电气系统、结构系统进行可靠性维护分析，为制定可重复使用运载火箭的定检项目提供参考。
（1）可重复使用运载火箭发动机的可靠性维护
火箭发动机是火箭动力源，一旦发生故障，会造成巨大灾难。及时发现发动机的异常，对挽救任务、飞行控制重构具有重要意义。液体火箭发动机是一个包含多个树形分支子系统的复杂系统，这使得液体火箭发动机的故障诊断与维护十分困难。
液体火箭发动机中任何一个子系统的故障都可能直接导致发动机系统故障，可以说液体火箭发动机的寿命直接由其子系统可靠性寿命决定。通过归纳总结，将某液体火箭发动机的关键故障模式列于表3中，其中大部分故障与涡轮泵有关，涡轮泵故障率最高。
表3 液体火箭发动机的关键故障模式
因此，对涡轮泵进行可靠性维护与安全寿命研究具有重要的应用价值。我国在液体火箭发动机涡轮泵故障分析及寿命预测方面已经取得了一些研究成果。例如，利用复杂系统寿命分布模型和故障树分析理论对涡轮泵进行安全寿命预估分析，找出关键故障模式和重要故障部件，及时发现限制发动机寿命的瓶颈并加强检查与维护。若要加强对涡轮泵的维护能力，就需要同时开展涡轮叶片检测技术的研究。
（2）可重复使用运载火箭电气系统的可靠性维护
作为运载火箭的神经中枢，电气系统包含了箭上所有电子设备，可以实现控制、测量、故障管理等功能。重复使用运载火箭电气系统按功能层进行划分，可以分为控制系统、测量系统和健康管理系统，如图1所示。
图1 可重复使用运载火箭电气系统功能构成
运载火箭控制系统的特点是系统复杂、单机及元器件众多、冗余设计。建立可度量的严酷度定义等级和频率度等级两种判别准则（见表4、表5），可以列出关于严酷度和频率度的矩阵，并将其作为评定火箭控制系统故障模式最终风险的依据。该方法易于实现，可以找出高风险等级的故障模式，从而进一步维护并提升可重复使用运载火箭控制系统的可靠性。
表4 控制系统故障的严酷度等级判定
表5 控制系统故障频率度判别表
测量系统能够实时监测各种重要数据参数及其变化，在执行飞行任务过程中起着重要作用。但其结构复杂，出现故障的底层原因较多，对其故障进行诊断十分困难。因此，建立测量系统故障树成为排查测量系统故障原因的重要方法，可以有效减少故障排查的时间。
应用故障树法（FTA）可以对运载火箭出厂测试中测量系统常见的故障进行统计和分析，找到可靠性较低的薄弱环节，并对此及时提出排查方法，对故障部组件进行有针对性的维护。例如，某运载火箭的测量系统出现了起始电平数据异常的现象，根据故障发生原因绘制了故障树，如图2所示。通过FTA法，可以针对最薄弱、易损坏的典型零部件进行可靠性维护。
图2 火箭测量系统故障树分析
（3）可重复使用运载火箭结构系统的可靠性维护
结构系统是运载火箭的关键系统之一，也是整个系统的基础，一旦结构系统失效，整个系统也就失效了，将造成巨大损失。为了实现火箭的可重复使用，保证火箭发射任务顺利完成，对火箭的结构系统进行检测及可靠性维护至关重要。在实际应用中，机械结构具有多种失效模式，包括磨损、变形、疲劳及断裂等，且各失效模式间具有相关性，同时还有材料性能、载荷环境等要素。对于可重复使用运载火箭的结构系统来说，还需要考虑发射与回收过程中火箭结构承受的巨大热和应力情况，这会加速结构系统的退化，缩短其使用寿命。
运载火箭结构系统可以承受各种载荷，为电气系统仪器设备等提供安装基础和良好的力热环境，并贮存发动机燃烧所用的推进剂。可重复使用运载火箭结构系统检查的基本流程如图3所示。
图3 可重复使用运载火箭结构系统检查的基本流程
二、可重复使用火箭的寿命预测方法研究
机械可靠性的寿命类指标主要包括可靠寿命、平均寿命、使用寿命等反映机械产品各种寿命参数的指标。在设备运行过程中，若系统或部件的可靠性不满足要求，则设备的安全性、可靠性就无法保障，这可能导致巨大经济损失甚至危及生命安全。本文中的寿命是指“可靠寿命”，在工程实际中研究这一指标具有重要意义。
对于可重复使用运载火箭来说，进行寿命预测可以提高任务完成率，及时对状态不良的部件进行维修或更换，提前调配备件与维护人员等，从而降低火箭运维成本，提高经济效益。本节从可重复使用运载火箭发动机和电气系统寿命预测分析，以及可重复使用运载火箭结构系统的寿命预测分析两个方面展开。
（一）可重复使用运载火箭发动机和电气系统的寿命预测分析
火箭发动机的寿命预测主要通过传感器数据来实现，可获得的发动机状态参数包括发动机转速、温度、压力等。寿命预测在其他不同种类的发动机中得到了较好的应用，例如，有学者将在线采集的发动机缸压力、喷油压力等数值导入寿命预测数学模型，实现了动态测算寿命的功能；选取影响发动机寿命的多个参数，采用基于精度与信息熵的加权融合模型对发动机寿命进行估计；从发动机状态数据中提取可以表征其退化过程的参数，针对性地匹配多尺度的健康指标，来提高发动机预测模型的鲁棒性。
学者们还对火箭发动机的关键部件进行了寿命预测分析。例如，利用三维传热分析与有限元分析等方法，在循环载荷下对推力室内壁结构的应力演化展开描述；基于Norton蠕变模型和Miner线性累积损伤理论，提出了推力室内壁结构寿命预估方法。此外，许多学者对涡轮泵中的涡轮盘、涡轮叶片等易失效的部件也开展了大量的疲劳寿命研究。
对于电气系统来说，疲劳是其失效的主要原因。为了掌握电子设备的可靠寿命，一般会对电气设备开展加速寿命试验。基于试验数据，可以对设备的退化规律进行建模，进一步展开寿命预测研究。此外，电子设备的退化速率还与其使用环境有关，如振动、温度、湿度等。
以飞机机载电子系统为例，若机载电子设备出现故障，将造成重大损失。机载电子设备通常为可维修部件，其寿命指标一般是平均故障间隔时间。基于机内测试系统（BIT）数据，可以求得部件的平均故障间隔时间，再初步判断其分布及进行正态拟合优度测验。最终，可以建立寿命预测模型，预估机载电子设备寿命。
（二）可重复使用运载火箭结构系统的寿命预测分析
当可重复使用火箭的发射次数不断增多时，结构系统所受的疲劳载荷循环次数急剧增加，部件可能发生疲劳失效。因此，对于可重复使用运载火箭结构系统，迫切需要建立基于疲劳失效的寿命预测方法，结构疲劳失效问题成为可重复使用火箭可靠性研究的重要课题。目前，疲劳寿命预测方法主要有：基于物理模型的方法、基于数据驱动的方法及基于物理-数据混合模型的方法。
基于物理模型的剩余寿命预测方法主要根据机械设备的物理失效基本原理构建模型，对其性能退化过程进行表征，再将现有的观测数据代入模型，开展系统剩余寿命预测分析。该方法主要通过疲劳理论（应力-寿命疲劳分析方法）和裂纹扩展理论等来建立寿命预测模型。但是，随着设备结构的日益复杂化和运行环境的复杂多变，失效机理的演化规律难以建模，建立准确的失效机理模型的难度大大增加，导致基于物理模型的寿命预计难以在工程实际应用中得到广泛推广。
因此，基于设备实时监测到的各种数据信息，构建数据驱动的寿命预计模型逐渐成为众多学者研究的热点。该方法对保障设备安全可靠运行、处于良好工作状态具有重要意义。目前对这种寿命预计模型的研究主要从随机模型和智能模型这两个方面展开。基于随机模型的寿命预测方法的关键在于根据设备性能退化变量的监测数据来选择合适的随机模型。其中，常用的有Wiener过程、Gamma过程、Markov链和逆高斯过程等。例如，Wiener退化模型具有非单调平稳独立的高斯增量，十分适合刻画设备的非单调退化趋势。
随着技术的不断进步，基于智能模型的剩余寿命预测方法的种类也在不断增加。常用的智能模型包括神经网络模型、随机森林算法、支持向量机模型等。另外，对于大型复杂装备，如运载火箭、通信卫星、载人飞船和高速铁路等，可靠性试验周期长、成本高，在进行寿命预测时，充分挖掘其全寿命周期中数据的潜在价值是有利的。许多学者已经针对小子样问题开展了相关研究，通过采用参数修正、小子样数据样本增广等方法，来建立小子样数据下的寿命预测模型。
近年来，小子样理论（在试验数据较少的情况下，通过数据融合方法进行分析与评估的理论）快速发展，成为对复杂系统进行试验分析和寿命预测的一种重要手段。在基于智能模型的剩余寿命预测方法中，支持向量机模型能够有效处理小样本数据，得到高精度寿命预测结果。例如，对可靠性高、故障数据少的机载燃油泵，通过自适应差分算法优化支持向量机模型的参数进行寿命预测。
三、我国可重复使用运载火箭发展的对策和建议
基于上述讨论，笔者提出如下建议：
（1）建立我国可重复使用运载火箭检测、维修制度，制定切实可行的检修手册与标准。维修是保障火箭可靠性、安全性的重要措施，而可靠与安全是可重复使用运载火箭航班化运输中的关键问题。合理制定可重复使用运载火箭定检间隔与定检工作项目，建立日常运维的制度，完善维修体系，可以大大提高维修效率，保证维修效果，并且避免由于维修人员操作不规范等而造成无效的维修。而在可重复使用运载火箭的运营与维护中，也需要降低维修成本以提高企业经济效益。
为实现可重复使用运载火箭航班化目标，就必须考虑火箭维修所需的成本。若火箭维修成本过高，不能产生收益，那么可重复使用运载火箭航班化将难以实现。而建立切实可行的维修手册与标准，在一定程度上能够节省维护资源，降低维护成本。
（2）建立我国可重复使用运载火箭寿命周期分析评判制度与标准，进行全寿命周期分析。全寿命周期成本由火箭全寿命周期各个阶段所发生的成本之和组成。一般产品在概念设计和初步设计阶段的累计时间约占产品全寿命的15%，然而，这两个阶段的累计成本却占了全寿命周期成本的70%左右。图4为产品全寿命成本与全寿命时间关系图，可以看出，对可重复使用运载火箭来说，在火箭设计研制阶段进行全寿命周期成本管理，有利于控制后期运维成本、发射操作成本等，有助于火箭的经济性设计。
图4 产品全寿命成本与全寿命时间的关系图
（3）深入开展我国可重复使用运载火箭关键系统和部件的可靠性特征量提取、实验与分析，发展我国可重复使用运载火箭健康管理技术。采用健康管理系统可以及时、快速地对火箭各系统进行故障定位与分析，提高运载火箭的可靠性、工作效率及使用寿命。未来，需继续完善故障数据库，并进一步识别故障模式，实现准确提取识别故障特征的关键数据，便于后续维修。
例如，某航空公司开展了飞机健康安全精准诊断与重要部件全生命周期智能分析关键技术研究。通过实时获取飞机核心部件的传感器数据、使用数据等，以实现预测飞机部件的健康状态和性能衰减趋势。可以从中得到启示，可重复使用运载火箭日常维修与健康状态监控也要朝着智能化方向发展，建立火箭的健康管理系统。
（4）针对火箭飞行、试验和仿真数据样本极少的特点，采用小子样理论，融合全寿命周期数据，构建寿命预测模型，开展寿命预测新方法、新技术的研究。另外，由于火箭任务的特殊性，在飞行中气动力-热-结构多场耦合机理十分复杂，热应力会引起大面积薄壁结构等的严重形变，加之气动弹性引起的结构振动问题，都会加速火箭的衰退，导致火箭提前失效。因此，还需要开展火箭气动力、热耦合作用下结构的力学和热学性能分析，揭示火箭结构疲劳机理，为火箭结构疲劳寿命的预测提供依据。（原文刊载于《中国航天》2023年第9期）
本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：方志耕、张程洁、牛翠萍（南京航空航天大学）、唐伟（中国航天科技集团有限公司）、宋征宇（中国运载火箭技术研究院）