航天器再入陨落解体模型及分析预报策略研究(2)
陨落体飞行穿越大气层过程中,高超声速运动必然会带来强烈的气动热作用。 气动热分析主要反馈其对陨落体的外形影响及物性变化,作为解体分析判断的依据,并作为气动力分析的重要基础。 气动热问题可细分为热环境、金属材料软化/熔融和复合材料热解/烧蚀3 个方面,剧烈的爆炸或燃烧反应也和气动热作用密切相关。
热环境分析的主要目标是获得陨落体表面的对流换热情况,这是后续材料结构破坏及解体分析的基础。 陨落体主要是一些寿命末期的大型轨道飞行器、人造卫星或上面级运载火箭分离抛弃的残骸等,它们绝大部分由金属或合金材料(统称为金属材料)构成。 因此,对金属材料软化/熔融导致的破坏情况进行分析评估是非常重要的方面。 在高速气流气动加热作用下,金属材料构件会逐渐升温;当温度上升到一定程度,金属材料会出现软化现象;当温度达到熔点,金属材料将发生熔融。 航天器再入陨落飞行过程中,对金属材料软化/熔融的分析目的在于获得其由于软化或熔融而导致的结构破坏和解体情况。 虽然再入大气层内的人工天体类陨落体一般绝大部分由金属材料构成,但是仍然有部分部件是由复合材料构成的,主要是一些气瓶、贮箱之类。 复合材料在气动热作用下一般要经历升温、热解和烧蚀等复杂的物理化学过程,这是航天器再入陨落分析预报中需要重点关注的技术问题。
进入大气层内的陨落体可能呈现出的最明显表象即是结构失效崩溃及激烈的解体。 结构解体形成的部件或碎片形状是气动力、气动热评估分析的几何基础,解体后部件或碎片的质量特性及运动参数同时也是后续弹道预测的主要依据。 如果要剖析结构解体的细节,须基于固体力学为基础的严格的内应力分析,融合气动力/热对结构产生的物理化学作用,并考虑其它影响因素(如重力、自旋等)的作用。 原则上,结构解体属于典型的固体力学问题,属于固体力学中材料的应变应力分析技术问题。 通过数值模拟方法可获得每一处结构微元体的应变、应力,结合材料当地条件下的物性参数和破坏判据给出定量仿真结果。 航天器再入陨落飞行过程中,陨落体的力学环境分析是非常困难的技术难点,而且力学环境和气动加热作用及材料物性密切相关。
3 三层级模型
为了对航天器再入陨落解体过程分析预报提供必要物形几何前提,提出了一种新型简洁的航天器再入陨落解体模型——三层级模型(Three Phases Model,TPM)。 该模型的基本思想是面向物体法,同时融入了面向航天器法的思维。
航天器再入陨落解体三层级模型的3 个层级是:①系统/子系统(Whole);②部件(Part);③碎片/微粒(Debris)。 因此,三层级模型又可称为WPDM(Whole-Part-Debris Model),如图1 所示。
图1 航天器再入陨落解体三层级模型Fig.1 Three phases model for spacecraft disintegration during reentry fall
航天器再入陨落解体三层级模型的系统/子系统,即指航天器整器形式。 对于中小型在轨运行航天器,可以是包括太阳能电池帆板或不包括太阳能电池帆板的形式;对于特大型在轨运行航天器,如国际空间站,显然在某些陨落阶段可以分为若干子系统。 通过实例分析可知,对航天器整器解体时刻的状态参数,尤其是高度、速度、弹道倾角、飞行方位角的精确程度,对后续存活残骸的落区范围估计起到决定性作用,对残骸存活性分析和地面风险评估也有影响。 这是三层级模型中特别指定系统/子系统层级的最大意义。
航天器再入陨落解体三层级模型的部件指的是航天器内部具有一定功能性及结构外形确定性的内容物,包括各种功能部件、气瓶及燃料贮箱等。 当陨落至一定高度在气动力/热作用下,航天器整器外壳及附属连接固定结构失效,其内部各部件在气流冲击下将飞散开来。 整器解体时刻参数即是各部件承受严苛气动力/热及运动分析的初始参数。 原则上,可以对具有确定几何特性和质量特性的部件进行精细的气动力/热和运动分析,但是在熔融或烧蚀过程中,任何部件的几何特性和质量特性的确定都是暂时性的。
4 块条片模型
航天器再入陨落解体三层级模型的碎片/微粒指的是不可辨识原本几何形态的残留物。 碎片/微粒的来源有3 个方面:①航天器整器或部件熔融烧蚀后残留物;②航天器整器或部件在气流剪切撕扯下产生的碎片;③熔融物再凝结并得以存活的残留物。 碎片/微粒的特征尺度下限根据关注的问题进行界定。 碎片/微粒的技术分析不再考虑气动热作用,即它们是被作为落地实物来看待的。 碎片/微粒的总量需封闭与航天器的质量守恒及材料属性,同时考虑扣除燃烧或雾化湮没的部分(一般情况下是绝大部分)。
文章来源:《弹道学报》 网址: http://www.tdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0205/336.html