航天器再入陨落解体模型及分析预报策略研究(4)
基于条件边界的参数统计方法即是针对航天器再入陨落过程仿真建模分析中存在不确定性的气动力/热及飞行状态参数,根据现有基础研究成果评估确定其上下限即条件边界;在陨落过程分析时,在这些条件边界值域内,运用合适的参数分布及统计模型,对关注的目标参数进行定量分析。由此获得统计意义上的航天器再入陨落过程及结果,这些结果应该是具有一定置信度的分布带形式。
从飞行运动方面分析,由于质量特性对于陨落体往往是变化不定,很难把握的,且在高度100 km以上大气极其稀薄、动压非常小,航天器飞行过程的姿态转动运动情况对平动运动几乎不产生影响,一般情况下采用三自由度弹道方程即可。 但当需要把握解体前运动细节时可采用六自由度弹道方程。 基于三自由度横向气动力的需要,可把变形或局部破坏后的陨落体以及残骸碎片的运动姿态参数纳入合适的分布统计模型考虑。
从气动力方面分析,在高超声速条件下陨落体及其残骸外形复杂且多变。 如果存在部分残骸体接近地球表面且速度减至高超声速以下,初步评估获得的经验表明,这类较低速度飞行的残骸碎片不会在气动力/热作用下发生破坏,在这种情况下其当地弹道倾角一般已接近-90°,即其落点经过该类模式飞行后不会发生显著变化。 因此,采用气动力数据表或快速工程方法是沿弹道计算的主要选择,必要的配平姿态评估可通过数值模拟分析,任何先进的大气模型对大气参数的推算也存在不确定度,故需要纳入条件边界参数统计的参量包括气动阻力系数及大气密度。
从气动热方面分析,由于对变形陨落体及残骸碎片形状的不确定性,对气动分析的外形可以通过分类抽象模式化处理。 据此,对气动热直接相关参数进行参数分布统计已不存在逻辑上的必要性;实际上气动热的影响可转化归于对气动力不确定度的影响。 对金属材料部件的传热熔融计算及复合材料部件的热解/烧蚀计算可采用零维或一维计算模型。
结构解体的分析是航天器再入陨落分析预报技术中最困难和最缺乏针对性基础研究成果支撑的部分。 技术途径是结合航天器再入陨落解体三层级模型,通过建立解体条件准则进行分析,即根据若干基础研究的成果提炼相关的解体破坏判据。 可以考虑的解体条件准则包括:①高度准则,即设定在某一高度值发生某种形式的解体过程;②熔融准则,即设定金属材料在达到熔融温度发生某种形式的解体过程;③热解准则,即设定复合材料在达到热解温度时发生某种形式的解体过程;④温度准则,即认为物面温度达到某一设定值将发生某种形式的解体过程;⑤热流准则,即认为累计热流或瞬时热流达到某一设定值将发生某种形式的解体过程;⑥动压准则,即认为动压达到某一设定值将发生某种形式的解体过程;⑦时间准则,即设定在某一时刻发生某种形式的解体过程;⑧综合准则,上述两种或多种准则的综合,可包括权重和、任一准则达成、全体准则达成等。
上述熔融准则及热解准则可以认为是温度准则和热流准则的某种复合形式,但由于金属材料在目前的航天器结构材料中占据最大百分比,故把熔融准则单列便于应用分析;复合材料则是目前航天器上有特殊要求的容器类的主要材料,因此也把热解准则单列。
在DAS 和ORSAT 中,采用最简单的高度准则预测解体;DRAPS 除了高度准则外还提供温度准则、烧蚀准则(烧蚀到一定程度发生解体)和综合准则(达到上述任何一个解体条件就认为解体)。 本文拟建立结构解体的较为系统完整的解体条件准则及解体形式的框架体系。 这些准则的选用根据实际的陨落过程特点;准则的量化建立依赖于实际研究的陨落体对象相关的基础支撑成果的积累。
原则上,解体形式可以包括:①部件级解体,整器被肢解为部件;②碎片级解体,整器或部件被解体为碎片或微粒;③变形,外形发生变化。
由于外形变化在解体过程中是一种连续不断的持续性过程,因此要对此进行精细分析或仿真是非常困难的;从关注解体结果的角度,可以把变形解体形式的影响纳入其它解体条件的值域方面进行考虑。 结构解体分析中需要纳入条件边界参数统计的最重要的参量包括:解体碎片的尺度分布、解体碎片的形状模式分布、解体高度范围等。
陨落飞行过程中物体形状及气动力/热局部参数的随机性使得采用面向陨落体的完全有限元力/热及结构应力耦合数值模拟代价巨大,需要大规模高性能并行计算,且其个别条件下的确定性数值分析结果并不能代表解体过程参数的随机性。 但是,必须通过基础研究成果来提炼工程上需要的支撑数据,并不断深入研究逐步完善工程适用的解体判据。 如ORSAT 中默认的解体高度为78 km,然而本文研究表明,解体高度和研究对象材质及飞行模式关系密切,有必要进行精细化分析并设定合适的量化解体准则。
文章来源:《弹道学报》 网址: http://www.tdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0205/336.html