航天器再入陨落解体模型及分析预报策略研究(5)
初步归纳,航天器再入陨落解体分析预报的基于条件边界的参数统计方法涉及的统计分析参量如下:①陨落分析飞行起始参数,含初始位置三分量(坐标值x/y/z 或经度/纬度/高度)和初始速度三分量(速率/初始弹道倾角/初始方位角),共6 个参量;②阻力系数;③大气密度;④解体高度;⑤解体碎片尺度;⑥解体碎片形状;⑦解体碎片姿态角。 上述12 个参数可根据情况进一步简并,必要时也可扩展。 为了使用基于条件边界的参数统计方法,需把握上述参数的基准值、不确定度及其分布形式,其中对结构解体相关参数的设定是最关键和最困难的。
7 实例应用分析
基于上述航天器再入陨落解体三层级模型及基于条件边界的参数统计方法的分析策略及思路,开发研制了一套针对性的软件系统。 软件专门用于大型航天器再入陨落解体过程分析预报及地面风险评估,采用数据库技术对软件系统研究对象相关的素材资源、方法流程调度及结果数据进行综合管理,并集成了各类相关基础研究算法模块。 图3 为软件系统基本逻辑流程图,图4 为软件系统运行时的典型界面。
图3 航天器再入陨落解体分析预报软件系统基本流程图Fig.3 Basic flow chart of analysis and prediction software system for spacecraft disintegration during reentry fall
图4 航天器再入陨落解体分析预报软件系统典型界面Fig.4 Typical interface of analysis and prediction software system for spacecraft disintegration during reentry fall
基于上述模型方法及开发的软件系统,对一个大型航天器实例进行了初步分析。 由于相关基础研究支撑工作是一个长期持续的过程,对解体模型中一些参数的边界及分布设定还需要不断细化和充实完善。
图5(a)为用于陨落分析的大型航天器(简称LTG),该航天器整器由一两舱结构及两侧太阳能电池帆板组成。 舱体材质为铝合金,部分组件外露舱体,包括中继天线、轨控和姿控发动机喷管、各种相机光学窗口等。 图5(b)为无太阳帆板的两舱组合体,其与带太阳帆板的整器共同构成算例应用分析中LTG 陨落解体三层级模型的系统/子系统层级。
图5 LTG 陨落解体三层级模型之系统/子系统层级Fig.5 System/sub-system phase example of three phases model for a LTG spacecraft
LTG 再入陨落解体三层级模型的部件级大致包括了图6 中的十多种类型,它们是组成该航天器的核心功能组件。 大部分内部部件由铝合金材料构成,少量不锈钢部件;轨控和姿控发动机喷管由铌合金构成;还有部分由复合材料或碳纤维构成的瓶罐类容器;此外还有蓄电池模块。
图6 LTG 陨落解体三层级模型之部件层级Fig.6 Part phase example of three phases model for a LTG spacecraft
本例中,LTG 再入陨落解体三层级模型的碎片/微粒层级,简化设定为球体、长方体、片类、杆类(长细比=10)和杆类(长细比=5),并在此基础上采用分组方法进行了统计计算分析。 图7 为某设定条件下碎片落区的计算结果。
图7 LTG 陨落解体三层级模型之碎片/微粒层级计算结果Fig.7 Debris/particle phase example of three phases model for a LTG spacecraft
针对LTG 再入陨落解体过程的系统建模和模拟,需要把握如下情况:陨落再入初始条件的确定;太阳电池帆板脱落的时机及对称性;两舱组合体逐渐熔融伴随解体的复杂性;部件存活期间形变及气动力热局部参数的随机性;燃料贮箱及电池模块物理或化学爆破的可能性及影响。 上述情况的随机性使得对整器解体的陨落分析的条件参数设置原则是尽量采取偏于保守的设定,包括对条件状态参数基准值及其值域范围,都需要在工程对象可能的范围内进行综合评估分析。
计算分析涉及的结果数据众多,本文给出部分结果。 图8 为LTG 两舱组合体于高度100 km、迎角170°时表面温度分布,此时其舱体迎风端面温度已超过铝合金材质熔点,熔融速率取决于当地热流大小。
图8 LTG 两舱组合体表面温度分布(高度100 km、迎角170°)Fig.8 Surface temperature distribution of LTG two cabin combination (hight is 100 km,angle of incidence is 170°)
图9 给出了舱体解体后一些典型部件在飞行过程中的温度、压力、热流等表面参数分布。 通过对这些部件组成材质(金属类)的熔融情况分析,可以得出其最终存活性结论及落区范围。
图9 LTG 典型部件表面参数分布Fig.9 Surface parameter distribution of LTG typical components
根据计算结果分析表明,该大型航天器飞行至高度120 km 以下时,气动力/热即产生明显作用。 在高度约105 km 处,太阳电池帆板在气动力热作用下脱落解体。 在高度约100 ~95 km 区间,由铝合金构成的两舱组合体壳体熔融解体,内部部件开始承受强烈气动力/热作用。 在高度约95~70 km 区间,铝合金及不锈钢部件分别熔融解体;碳纤维及复合材料部件热解充分而解体。耐高温合金组件如轨控发动机组和姿控发动机组,其合金材料在高度约60 km 处基本完全熔融,留存可辨识原本初始形态的残骸落至地面的可能性极小,通常是经多次解体或熔融凝固残骸、碎片坠落地面。 此外,两舱解体后电池模块在气动热作用下将很快因温升发生爆破解体。
文章来源:《弹道学报》 网址: http://www.tdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0205/336.html