航天器再入陨落解体模型及分析预报策略研究(3)
碎片/微粒层级的外形建模过程中,对其几何特征进行高度抽象。 几何建模抽象基于完全归纳法原则,即可以覆盖不同的几何特征,从而覆盖体现相应的气动特性及飞行运动特性。 碎片/微粒按几何特征分为3 类:①块(Block);②条(Column);③片(Slice)。 因此,碎片/微粒层级的这种划分模式可称为块条片模型(Block-Column-Slice Model, BCSM)。
3 类碎片/微粒的几何形状中(图2),块以球或椭球指代,由短长轴比定形;片以半圆边缘圆片指代,由厚度直径比定形;条以半球端面圆柱指代,由长细比定形。 3 类碎片/微粒的尺度范围(上下限)根据需要设定,块由特征尺度长轴确定;条由特征尺度柱长确定;片由特征尺度直径确定。 碎片/微粒的几何形状采用表面圆润的设定,基于陨落残骸历经烧蚀及气流冲刷后一般不再具有棱角分明的特征。
图2 碎片/微粒层级的几何建模Fig.2 Geometric modeling at debris/particle phase
碎片/微粒需满足材料(密度)及对应总质量约束条件。 根据需要对3 类碎片/微粒的相关参数具体进行设定或覆盖。 这些参数的设定和控制依赖于基础研究成果对陨落解体过程的认识程度。
某些情况下,若系统/子系统及整器发生剧烈解体过程(如爆破等),则部件级层级可能不存在,直接由系统/子系统层级演化至碎片/微粒层级。 在部件级存在情况下,某些碎片/微粒实体也可能由整器(主要是壳体)解体直接产生,这也是图1 上部虚线的含义。
表1 定义了碎片/微粒的块条片模型相关的几何及材料属性参数。
表1 碎片/微粒层级块条片模型的几何及材料属性参数Table 1 Geometrical and material parameters of BCSM?
对于每一个具体的碎片/微粒,其几何及材料属性确定的个体数量可表示为式(1)。
上述参量中,T 和M 为非连续性变量,R 和L为连续性变量,特别地,块、条、片类型对应的个体数量可分别表示为式(2)。
连续性变量R 和L 一般可表示为在某种范围内的分布函数的形式实际应用中根据需要进行离散化处理。 基于陨落过程中熔融及烧蚀作用具有使碎片外形圆润化的趋势,建议定形参数R 的取值下限为1,上限根据基础研究和观测结果的经验积累进行评估确定。 此外,3 种碎片类型的定形参数为1 时,实际都归化为基准的圆球形。 特征尺度L 必须具有明确的上下限,这是根据所关注的问题及实际研究对象的情况评估确定的。 具有相同材料属性的任何类型碎片,应该满足同一材料的质量约束条件。
碎片数量的关键依赖参数是特征尺度(或碎片质量),根据类似研究[17-19]表明,碎片数量和特征尺度近似于指数变化规律,即尺度越小的碎片,其数量越多。 为此,构建特征尺度大于L 的碎片数量的表达式如式(3)所示。
式中,N0 为纳入统计的碎片数量总数, b 为解体强度系数,L1 和L2 分别为碎片特征尺度的下限和上限,L 取值介于L1 和L2 之间。
以上碎片/微粒层级的块条片模型,根据实际问题的工程要求情况,针对类别、定形、特征尺度和材料等方面,可以进行必要的简并。
5 三层级模型的技术特点
航天器再入陨落解体三层级模型能够涵盖航天器解体研究对象的结构组成及碎片各种几何特征,这些几何外形特征能够反映研究对象的气动力/热及飞行运动特性,通过调整参数的应用,针对航天器不同解体情况具有普遍适应性。
航天器再入陨落解体三层级模型的系统/子系统层级和部件层级具有面向航天器法的性质,碎片/微粒层级具有面向物体法的性质。 参照国内外现有方法模型,三层级模型具有如下特点:
1)融合了面向物体法和面向航天器法的思想,是该两类方法的综合体现;
2)三层级模型对研究对象结构定义清晰明确,更精炼适用,便于工程操作;
3)对系统/子系统的明确关注有利于精确分析航天器整器解体时刻的状态参数;
4)对部件层级的定义有利于对陨落解体过程的细节情况进行探索;
5)碎片/微粒层级的块条片模型能够代表不同几何特征及相应的气动力/热和飞行运动特性;
6)三层级模型能够满足工程分析需要,也有助于挖掘科学问题推进基础研究。
6 基于条件边界的参数统计方法
基于航天器再入陨落解体三层级模型,原则上对航天器再入陨落解体过程的分析预报提供了具体的研究对象,但是航天器再入陨落解体过程中的气动力/热现象实际上是外形及环境不断变化的非定常问题,由此导致陨落过程必然是一个随机过程。 换句话说,假设初始状态完全相同的2 个陨落体,其陨落解体过程、残骸存活情况及实际落区等都会有所不同。 对随机过程的分析不能局限于确定性问题的解决思路,为此提出一种基于条件边界的参数统计方法,作为航天器再入陨落分析预报的基本策略。
文章来源:《弹道学报》 网址: http://www.tdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0205/336.html