臨近空間敏感區(qū)域要素與強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象對(duì)高速飛行器的作用,大氣科學(xué)論文

臨近空間敏感區(qū)域要素與強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象對(duì)高速飛行器的作用,大氣科學(xué)論文引言鄰近空間是距地球外表高度20～100km之間的空間區(qū)域，處于航空與航天的結(jié)合部，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略價(jià)值。鄰近空間飛行器是指能夠在鄰近空間空域內(nèi)飛行，并執(zhí)行特定任務(wù)的飛行器，當(dāng)前主要集中于浮空飛行器、高空無人機(jī)與高速飛行器等研究領(lǐng)域。由于鄰近空間空氣稀薄，一方面，飛行器若要獲得較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力和足夠的升力保證，必須實(shí)現(xiàn)高速飛行；另一方面，稀薄的空氣可以有效減小空氣阻力，使得在稠密大氣中難以實(shí)現(xiàn)的超聲速、高超聲速飛行，在鄰近空間中相對(duì)容易。因此，以超聲速、高超聲速飛行的鄰近空間高速飛行器成為了世界各國競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。它以火箭或吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，具有飛行速度快、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。華而不實(shí)，又以美國的X系列最為著名，已有三十余年的研究基礎(chǔ)，先后經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，分別以X-15、X-30、X-43、X-51等型號(hào)作為其突出代表。華而不實(shí)，X-43A在2004年3月的一次試飛中，在30千米的高空實(shí)現(xiàn)了速度為M7的自主飛行，同年11月，X-43A的最大速度已經(jīng)到達(dá)M9.8，初步實(shí)現(xiàn)2小時(shí)全球到達(dá)的目的。對(duì)于高速飛行器，鄰近空間環(huán)境要素和強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象的影響尤為明顯，直接影響著飛行安全和任務(wù)完成。開展鄰近空間環(huán)境對(duì)高速飛行器影響研究已成為當(dāng)下急需解決的關(guān)鍵課題之一。對(duì)于該領(lǐng)域的研究工作，傳統(tǒng)的飛行試驗(yàn)方式方法經(jīng)費(fèi)投入大、周期長(zhǎng)，受測(cè)控技術(shù)限制，數(shù)據(jù)樣本較少。近年來，伴隨著空間科學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真的飛速發(fā)展，國外率先采用了基于仿真技術(shù)的研究方式方法，就是進(jìn)行鄰近空間環(huán)境和高速飛行器耦合仿真，將鄰近空間要素和強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象參加到高速飛行器仿真模型當(dāng)中，進(jìn)而全面、系統(tǒng)、定量計(jì)算鄰近空間環(huán)境對(duì)高速飛行器的影響效應(yīng)。工程實(shí)踐證明，該方式方法具有高效經(jīng)濟(jì)和安全實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，遭到了廣泛重視，并得到了推廣應(yīng)用。近年來，我們國家也積極開展了鄰近空間高速飛行器的基礎(chǔ)研究和工程試驗(yàn)。因而，在對(duì)國內(nèi)外鄰近空間高速飛行器工程型號(hào)全面調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取典型仿真研究對(duì)象，對(duì)于鄰近空間環(huán)境及其影響效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，論證提出仿真研究方案，并突破主要關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行典型仿真應(yīng)用，無疑將為進(jìn)一步開展研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供有力的技術(shù)支撐。1鄰近空間環(huán)境及其影響分析1.1鄰近空間環(huán)境要素和強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象鄰近空間自下而上包括平流層、中間層區(qū)域和部分電離層區(qū)域。當(dāng)下，鄰近空間內(nèi)的大氣和空間環(huán)境要素、現(xiàn)象的氣候分布、現(xiàn)時(shí)狀態(tài)和演變規(guī)律成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。鄰近空間環(huán)境要素，可分為大氣環(huán)境要素和空間環(huán)境要素。對(duì)于高速飛行器而言，其敏感要素主要包括大氣密度、大氣溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、電子密度、化學(xué)組分等。鄰近空間強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象主要包括爆發(fā)性增溫及大氣密度劇變、大氣擾動(dòng)和波動(dòng)〔重力波、行星波、潮汐波等〕、急流及風(fēng)切變和湍流等。出現(xiàn)于北半球平流層的爆發(fā)性增溫現(xiàn)象，可使高緯地區(qū)平流層溫度在數(shù)天內(nèi)躍升幅度高達(dá)50K，溫度的升高及其引起的大氣密度和風(fēng)場(chǎng)的顯著變化，對(duì)根據(jù)大氣環(huán)境常態(tài)參數(shù)駐留、飛行的鄰近空間飛行器帶來宏大風(fēng)險(xiǎn)；同樣，受重力波、行星波等大氣物理、動(dòng)力經(jīng)過的影響，在鄰近空間范圍內(nèi)造成的中小尺度〔10～1000公里量級(jí)〕的環(huán)境參數(shù)劇烈變化，也對(duì)鄰近空間飛行器駐留、飛行帶來危險(xiǎn)。1.2影響效應(yīng)分析詳細(xì)而言，鄰近空間環(huán)境要素和強(qiáng)擾動(dòng)效應(yīng)對(duì)高速飛行器的影響主要具體表現(xiàn)出在下面兩個(gè)方面：〔1)對(duì)飛行器航跡/姿態(tài)的影響。在鄰近空間，高速飛行器依靠發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，根據(jù)預(yù)定的程序和航跡飛行。當(dāng)下，高速飛行器一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)航跡，包括速度、位置和控制時(shí)間。由于實(shí)際大氣環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)存在偏差，致使實(shí)際航跡往往偏離預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)航跡。為到達(dá)航跡精度要求，保證實(shí)際飛行參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)航跡參數(shù)趨于一致，一般在飛行中通過制導(dǎo)對(duì)高速飛行器進(jìn)行航跡/姿態(tài)的控制和調(diào)整。但制導(dǎo)系統(tǒng)承受大氣環(huán)境因素干擾的能力有一定限度。例如：當(dāng)鄰近空間大氣溫度和壓力顯著偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，將會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力，進(jìn)而影響飛行航跡參數(shù)；鄰近空間大氣密度的變化直接影響到高速飛行器所受阻力的大小，使飛行速度和航跡傾角發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生航跡偏差；鄰近空間風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)的影響與大氣密度不同，風(fēng)具有方向性，理論和工程試驗(yàn)都表示清楚，風(fēng)速矢量的變化不但會(huì)影響高速飛行器的飛行航跡，而且會(huì)干擾其姿態(tài)控制，對(duì)高速飛行器的安全構(gòu)成了一定威脅；鄰近空間中的強(qiáng)風(fēng)切變更易使高速飛行器處于較大幅度動(dòng)態(tài)之中，進(jìn)而使慣性測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差，并影響精到準(zhǔn)確制導(dǎo)敏感儀器的測(cè)量精度，最終嚴(yán)重影響其制導(dǎo)精度?！?)對(duì)飛行器隱身、通訊和測(cè)控的影響。在鄰近空間中，高速飛行器在一般處于超聲速、高超聲速飛行狀態(tài)。此時(shí)，在飛行器的前端會(huì)構(gòu)成強(qiáng)的弓形激波，由于激波的壓縮和空氣的粘性作用，使得大量動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱。當(dāng)空氣密度和飛行速度到達(dá)一定值時(shí)，氣動(dòng)加熱導(dǎo)致的高溫效應(yīng)足以引起大氣分子的電離。一方面，大氣電離導(dǎo)致的熱力、化學(xué)非平衡效應(yīng)會(huì)直接影響高速飛行器的氣動(dòng)力/矩參數(shù)，導(dǎo)致其飛行航跡/姿態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響精到準(zhǔn)確測(cè)量、控制和導(dǎo)航；另一方面，大氣電離會(huì)在飛行器周圍構(gòu)成一定厚度的等離子體層，稱為等離子體鞘套。等離子體鞘套內(nèi)含有大量的自由電子，它們吸收、反射和散射電磁波，輕則干擾電波傳輸，重則導(dǎo)致通信中斷，對(duì)測(cè)控產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響，導(dǎo)致所謂的黑障效應(yīng)；與此同時(shí)，在一定條件下，該等離子體鞘套又能有效減小高速飛行器的雷達(dá)反射面積，對(duì)于高速無人飛行器隱身具有非常積極的作用。2鄰近空間環(huán)境對(duì)高速飛行器影響仿真2.1總體技術(shù)方案選取高速飛行器典型仿真研究對(duì)象，在Matlab集成化仿真環(huán)境中，構(gòu)建其仿真虛擬樣機(jī)，包括動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)力等關(guān)鍵模塊，簡(jiǎn)潔、高效地反映其基本飛行品質(zhì)；同時(shí)，針對(duì)飛行區(qū)域，進(jìn)行鄰近空間環(huán)境要素和強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象數(shù)學(xué)建模與仿真再現(xiàn)。在這里基礎(chǔ)上，進(jìn)行鄰近空間環(huán)境影響的數(shù)學(xué)物理建模和仿真實(shí)現(xiàn)，突破鄰近空間環(huán)境與高速飛行器耦合仿真關(guān)鍵技術(shù)，將鄰近空間環(huán)境仿真、高速飛行器飛行、影響定量評(píng)估等關(guān)鍵仿真模塊進(jìn)行系統(tǒng)集成，搭建鄰近空間環(huán)境與高速飛行器耦合仿真平臺(tái)，在鄰近空間環(huán)境擾動(dòng)條件下，進(jìn)行高速飛行器的飛行仿真，對(duì)一種或幾種環(huán)境敏感要素的影響效應(yīng)進(jìn)行仿真，獲得飛行彈道/姿態(tài)、等離子鞘套特性等關(guān)鍵參數(shù)，全面、系統(tǒng)、定量評(píng)估鄰近空間環(huán)境影響效應(yīng)及其嚴(yán)重程度。其主要模塊及流程框圖見圖1：2.2關(guān)鍵技術(shù)及演示驗(yàn)證2.2.1鄰近空間環(huán)境建模擬真作為研究工作的基礎(chǔ)任務(wù)，鄰近空間環(huán)境建模擬真，即針對(duì)鄰近空間大氣和空間環(huán)境要素、強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象的氣候分布、現(xiàn)時(shí)狀態(tài)和演變規(guī)律建立數(shù)學(xué)、物理模型，仿真再現(xiàn)鄰近空間環(huán)境條件，客觀、定量地提供鄰近空間環(huán)境參數(shù)分布，為進(jìn)一步開展環(huán)境影響仿真研究奠定基礎(chǔ)。常用的方式方法有簡(jiǎn)化模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)建模和動(dòng)力學(xué)建模等。當(dāng)下，各種鄰近空間環(huán)境簡(jiǎn)化模型的物理基礎(chǔ)及其所根據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)各有不同，需要我們針對(duì)仿真需求進(jìn)行選擇。較為常用的有國際標(biāo)準(zhǔn)大氣模型、CIRA86模型和MSIS模型等。一般講來，鄰近空間簡(jiǎn)化模型只能表征環(huán)境參數(shù)變化的近似規(guī)律，但具有計(jì)算簡(jiǎn)單快速的優(yōu)點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)學(xué)建模，作為鄰近空間環(huán)境要素建模的主要方式方法，主要基于觀探測(cè)資料與再分析數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析方式方法，通過資料預(yù)處理和數(shù)據(jù)融合分析，獲取鄰近空間環(huán)境要素統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，對(duì)于擁有具體觀探測(cè)站點(diǎn)和記錄的地區(qū)，統(tǒng)計(jì)法建模具有較高的真實(shí)性和可靠性。圖2即為本文利用某靶場(chǎng)多年氣象觀探測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到的十二月份緯向風(fēng)場(chǎng)月平均數(shù)據(jù)。由圖可知，該地域十二月份緯向風(fēng)場(chǎng)與CIRA86參考大氣數(shù)據(jù)存在較大差異，呈現(xiàn)明顯的局地和季節(jié)特征。圖3則為姚志剛博士等人利用衛(wèi)星探測(cè)資料處理得到的東南沿海區(qū)域30~40公里高空的亮溫?cái)?shù)據(jù)資料。由圖可知，重力波擾動(dòng)的影響范圍可達(dá)1000km以上，溫度擾動(dòng)幅度可達(dá)15K。鄰近空間環(huán)境動(dòng)力學(xué)建模是在基本流體力學(xué)規(guī)律和一系列物理化學(xué)經(jīng)過基礎(chǔ)上,基于大氣環(huán)流形式，建立包括各類物理經(jīng)過如輻射經(jīng)過、對(duì)流和云的微物理經(jīng)過和化學(xué)經(jīng)過的中層大氣形式。這些形式大多模擬平流層內(nèi)大氣力和化學(xué)經(jīng)過，少數(shù)形式包括了熱層的動(dòng)力和化學(xué)經(jīng)過。圖4，5即為劉毅研究員等人對(duì)2004年1月爆發(fā)性增溫期間鄰近空間環(huán)境要素及臭氧濃度變化情況的仿真分析[5]由圖可知，在中、高空大氣層，溫度在一周之內(nèi)躍升近40K，伴隨著風(fēng)速、風(fēng)向的急劇轉(zhuǎn)變。顯然，將會(huì)對(duì)根據(jù)大氣環(huán)境常態(tài)參數(shù)飛行、控制的高速飛行器帶來宏大風(fēng)險(xiǎn)。2.2.2高速飛行器等離子鞘套特性計(jì)算理論和實(shí)驗(yàn)研究均表示清楚，高速飛行器的等離子體鞘套特性與其幾何構(gòu)造、熱屏蔽材料及鄰近空間環(huán)境參數(shù)、電子密度、組元分布等多個(gè)復(fù)雜因素有關(guān)，不僅在飛行器不同部位存在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，而且在飛行中也會(huì)不斷變化[6]。因而，對(duì)高速飛行器流場(chǎng)及其等離子體鞘套特性進(jìn)行定量計(jì)算，需綜合考慮下面物理、化學(xué)經(jīng)過：〔1)移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)和電子能量形式間的能量交換；〔2)化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)模型；〔3)高溫條件下輸運(yùn)特性的變化；〔4)外表催化效應(yīng)；為全面考慮這些互相耦合的熱力、化學(xué)復(fù)雜效應(yīng)的影響，可利用二溫、十一組元模型，即在化學(xué)反響經(jīng)過為有限速率假設(shè)下，針對(duì)十一組元混合氣體〔N2、O2、N、O、NO、NO+、N2＋、O2＋、N＋、O＋、e－〕，采用溫度T來代表分子、原子的移動(dòng)能和分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能，溫度Tv來代表分子的振動(dòng)能和分子、原子的電子能量，構(gòu)建N-S方程組和化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程組，來全面表征高速飛行器熱化學(xué)非平衡流場(chǎng)的基本特性。軸對(duì)稱熱化學(xué)非平衡流場(chǎng)N-S控制方程組參見文獻(xiàn)[7~9]，在化學(xué)反響經(jīng)過為有限速率假設(shè)下，十一組元混合氣體牽涉20個(gè)化學(xué)反響，其化學(xué)動(dòng)力學(xué)反響方程式如下：nr是反響方程式個(gè)數(shù)，nj是組元成分與催化物之和，Xi代表組元成分與催化物。ri、ri分別是反響物和生成物的當(dāng)量系數(shù)。對(duì)于反響r，正向反響速率常數(shù)kf,r和逆向反響速率常數(shù)kb,r的表示出式為：華而不實(shí)Tk是控制溫度，C0r、C1r、C2r、D0r、D1r、D2r是依靠于反響方程的常數(shù)，有關(guān)反響速率常數(shù)見文獻(xiàn)[9]。圖6即為本文采用二溫、十一組元模型，對(duì)美國Applo飛船再入1634秒時(shí)的等離子鞘套特性的仿真計(jì)算結(jié)果[9]。由圖可知，在飛船頭部激波區(qū)包覆有最大密度到達(dá)1017(1/cm3)的電子層，顯然會(huì)對(duì)其測(cè)控和通訊造成不利影響。2.2.3鄰近空間環(huán)境影響定量評(píng)估考慮到解析法求解冗雜，而且純粹為理論分析，分析經(jīng)過中往往要忽略很多因素，分析結(jié)果一般只能提供定性信息。因此對(duì)鄰近空間環(huán)境影響進(jìn)行定量評(píng)估，蒙特卡羅(MonteCarlo)法成為首選。在評(píng)估分析經(jīng)過中，首先采用蒙特卡羅仿真方式方法，根據(jù)鄰近空間環(huán)境敏感要素對(duì)高速飛行器的影響機(jī)理，開展鄰近環(huán)境與高速飛行器耦合仿真，進(jìn)行成百、上千次大樣本蒙特卡洛仿真飛行試驗(yàn)，耦合環(huán)境敏感要素的影響效應(yīng)，得到定量仿真結(jié)果；然后基于統(tǒng)計(jì)推斷數(shù)學(xué)理論，對(duì)蒙特卡羅仿真結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，得到鄰近空間環(huán)境影響定量評(píng)估關(guān)鍵數(shù)據(jù)。圖7即為某靶場(chǎng)鄰近空間環(huán)境條件影響下，某高速飛行器再入落點(diǎn)分布隨月份變化的仿真結(jié)果。由圖可知，高速飛行器落點(diǎn)精度隨季節(jié)有較大變化，在7月份落到極小，在12月份到達(dá)極大，兩者相差到達(dá)一倍.3結(jié)論1〕當(dāng)下，國內(nèi)外鄰近空間飛行器研究工作方興未艾，對(duì)于高速飛行器而言，鄰近空間環(huán)境是影響其飛行、安全的重要因素之一，對(duì)其彈道/姿態(tài)、再入落點(diǎn)、等離子體鞘套特性均有較大擾動(dòng)，應(yīng)當(dāng)給予高度重視，并進(jìn)行全面、定量評(píng)估；2〕對(duì)于鄰近空間環(huán)境影響效應(yīng)，采用系統(tǒng)仿真分析方式方法，可替代部分飛行試驗(yàn)工作，應(yīng)用于鄰近空間飛行器論證設(shè)計(jì)、研制試驗(yàn)和氣象保障部門，到達(dá)縮短周期、節(jié)約經(jīng)費(fèi)和安全高效的目的，值得在今后的工程實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用和推廣。3〕將來，將在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際需求，優(yōu)化模型、改良算法、提高效率，進(jìn)一步提高研究成果的針對(duì)性和可靠性。以下為參考文獻(xiàn)：[1]CharlesR,McClinton,VincentL,Rausch,etal.PreliminaryX-43flighttestresults[J].ActaAstronautica〔S0094-5765〕，2005,57〔4〕：266-276.[2]黃華，徐幼平，鄧志武。靶區(qū)大氣環(huán)境對(duì)再入體落點(diǎn)精度影響仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018,21〔13〕：2910-2913.[3]黃華，徐幼平，鄧志武。基于HLA的大氣環(huán)境聯(lián)邦構(gòu)建與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018,22〔2〕：411-414.[4]黃華，顧春利，陸漢城，徐幼平。體系對(duì)抗仿真中的大氣環(huán)境聯(lián)邦構(gòu)建[J].仿真技術(shù)與應(yīng)用，2018,13:183-188.[5]YLiu,CXLiu,HPWang,etal.Atmospherictracersduringthe2003-2004stratosphericwarmingeventandimpactofozoneintrusionsinthetroposphere[J].A