一种航天器再入陨落的分析预报方法技术

本发明专利技术公开了一种航天器再入陨落的分析预报方法，包括：(1)对航天器结构分析并构建解体三层级模型；(2)对系统/子系统层级和部件层级进行气动力、气动热和飞行特性计算分析；(3)确定系统/子系统层级解体判据参数及条件边界参数；(4)对系统/子系统层级飞行航迹计算模拟；(5)对系统/子系统层级结构解体破坏计算模拟分析；(6)确定部件层级解体判据参数及条件边界参数；(7)对部件层级飞行航迹计算模拟；(8)对部件层级结构解体破坏计算模拟分析；(9)构建碎片/微粒层级的块条片模型；(10)航天器碎片存活性及模拟计算条件边界分析；(11)碎片/微粒层级气动力及飞行航迹计算模拟；(12)碎片/微粒层级落区分析评估；(13)地面风险评估。

An analysis and prediction method of spacecraft reentry

【技术实现步骤摘要】
一种航天器再入陨落的分析预报方法
本专利技术涉及一种航天器再入陨落的分析预报方法，针对航天器再入陨落解体过程中可能出现的各种部件或碎片的实体研究对象在几何物理方面的描述，开展飞行过程中各种研究对象的气动力/气动热/解体分析、残骸存活性及地面风险评估。
技术介绍
随着人类在大气层外航天活动的逐渐增多，航天器再入陨落的问题也逐渐受到关注和重视。航天器陨落解体过程特指各种失效卫星、在轨运行非回收类人工天体(如载人飞船的轨道舱、空间站等)、火箭助推器或运载器残骸等执行任务完成后在无控或有控变轨后再入地球大气层至地面的过程。这些类型的飞行物往往不是设计用于在大气层中飞行的，因此没有专门的气动布局外形及热防护结构。当超高速再入飞行进入大气层后，在强烈气动力/气动热作用下，陨落体原始构型会解体，金属材料会软化熔融，复合材料会热解/烧蚀，陨落过程期间或者伴随某些材质的燃烧、容器类部件爆裂或爆炸等剧烈现象。对航天器再入陨落过程的把握和理解是进行建模及分析预报的前提。航天器陨落是典型的非常规再入问题(常规再入：回收或攻击类；非常规再入：撞击或陨落类)。航天器陨落过程中的主要技术问题包括飞行运动、气动力、气动热和结构解体四个方面。近二三十年来，国内外针对航天器及空间碎片再入陨落进行了一些研究工作，但由于多学科交叉带来问题的复杂性，相关研究和应用水平仍十分有限，一些基本问题尚未得到很好解决。航天器陨落过程中各种现象具有很大随机性，从解决工程问题的角度，有限条件状态下进行复杂的航天器精细建模不一定能够反映系统的不确定性。为此，本专利技术提出的模型和方法融合了面向航天器法和面向物体法的特点。“三层级模型”和“基于条件边界的参数统计方法”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物理特征，基于这些几何外形及物理属性特征能够计算分析研究对象的气动力、气动热及飞行运动特性，通过方法中调整参数的应用，针对不同航天器或不同解体情况具有普遍适应性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种航天器再入陨落的分析预报方法，该方法对航天器再入陨落飞行过程中的气动力、气动热、解体破坏进行建模模拟，通过该方法的解体模型确定航天器解体过程中可能出现或产生的各种部件或碎片的实体研究对象在几何物理方面的描述，通过该方法的条件边界设定的参数统计分析能够模拟仿真航天器解体过程中部件或碎片残骸数量/尺寸/质量及落区范围，进一步对地面风险进行分析评估。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种航天器再入陨落的分析预报方法，包括以下步骤：步骤一、对航天器结构分析并构建解体三层级模型；所述解体三层级模型包括航天器系统/子系统层级、航天器部件层级和航天器碎片/微粒层级；步骤二、对航天器系统/子系统层级和航天器部件层级进行气动力、气动热和飞行特性计算分析；步骤三、确定航天器系统/子系统层级解体判据参数及条件边界参数；步骤四、对航天器系统/子系统层级飞行航迹计算模拟；步骤五、对航天器系统/子系统层级结构解体破坏计算模拟分析；步骤六、确定航天器部件层级解体判据参数及条件边界参数；步骤七、对航天器部件层级飞行航迹计算模拟；步骤八、对航天器部件层级结构解体破坏计算模拟分析；步骤九、构建航天器碎片/微粒层级的块条片模型；步骤十、航天器碎片存活性及模拟计算条件边界分析；步骤十一、航天器碎片/微粒层级气动力及飞行航迹计算模拟；步骤十二、航天器碎片/微粒层级落区分析评估；步骤十三、地面风险评估。优选的是，所述航天器系统/子系统层级中航天器系统指航天器整器形式、航天器子系统一般为特大型航天器的较完整组段或外部附属部件脱落的完整舱段；所述航天器部件层级指航天器舱体内外具有一定功能性及结构外形确定性的外接物或内容物；所述航天器碎片/微粒层级指的是不可直观辨识原本几何形态的残留物，属于抽象化模型。优选的是，所述步骤二，气动力计算分析采用工程计算方法或数值模拟方法；基于航天器陨落体及其残骸复杂外形的特点，气动力计算以工程方法为主；用数值模拟进行补充及典型状态计算结果对比验证；所述步骤二中，系统/子系统层级航天器整器解体前的气动热参数通过数值模拟如DSMC方法获得；从航天器陨落分析预报的工程应用角度出发，沿弹道大量热环境参数采用快速工程计算方法；由于对变形陨落体及解体部件形状的不确切预期，热环境工程计算中，对局部细节适当简化。优选的是，所述气动力工程计算方法采用面元法，包括连续流区牛顿理论及其修正，自由分子流区分子碰撞理论，以及稀薄过渡流区搭接公式处理；所述数值模拟方法包括Boltzmann模型方程统一算法、DSMC数值模拟、N-S/DSMC耦合算法、NS方程数值模拟中的任意一种；所述气动热参数获得的具体处理中，陨落体迎风面进行轴对称比拟假设，通过采用等价体方法将有攻角和侧滑角的绕流问题转化为单纯的总攻角绕流问题；运用等效球锥体方法，可进一步化为零攻角绕流问题。通过以上变换后，可用零攻角球锥体气动热计算方法来计算有攻角和带侧滑的气动热问题。优选的是，所述步骤二中，飞行特性计算分析采用六自由度或三自由度弹道计算方法；当需要把握解体前运动细节时可采用六自由度弹道方程；弹道方程组可采用4阶Runge-Kutta法积分逐步求解。优选的是，所述步骤三中，针对航天器陨落过程仿真建模分析中存在不确定性的飞行环境、气动力/热、飞行运动及姿态参数，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，构建合适的参数分布模式；构建结构解体破坏的解体条件准则；基于统计分析相关数学方法，结合飞行运动-力-热-结构破坏解体计算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飞行航迹、解体过程、残骸存活性及地面风险分析评估结果，这些结果是具有一定置信度的分布带形式；所述参数分布，指的是具有不确定度的各条件参数，设定其为以基准值为中心的正态分布即高斯分布，随机取值范围在基准值基础上，偏差为正负三倍标准差，即理论上参数覆盖率约为99.5％；所述条件边界涉及的条件状态参数覆盖飞行运动、气动力、气动热方面性能参数，包括关键时刻点如再入时参数、解体时参数，也包括贯穿过程的物理参量如大气密度、气动力系数等；初步归纳，航天器陨落分析预报方法涉及的统计分析参量包括：初始位置、初始速度、气动力系数、大气密度、解体高度、解体碎片属性和解体碎片姿态；所述解体条件准则包括：高度准则：即设定在某一高度值发生某种形式的解体过程熔融准则：即设定金属材料在熔融温度发生某种形式的解体过程；热解准则：即设定复合材料在热解温度完全热解后发生某种形式的解体过程；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；热流准则：即认为累积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；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；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是温度准则和热流准则的复合形式；把熔融准则单列便于对在目前的航天器结构材料中占比最大的金属材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器再入陨落的分析预报方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、对航天器结构分析并构建解体三层级模型；所述解体三层级模型包括航天器系统/子系统层级、航天器部件层级和航天器碎片/微粒层级；/n步骤二、对航天器系统/子系统层级和航天器部件层级进行气动力、气动热和飞行特性计算分析；/n步骤三、确定航天器系统/子系统层级解体判据参数及条件边界参数；/n步骤四、对航天器系统/子系统层级飞行航迹计算模拟；/n步骤五、对航天器系统/子系统层级结构解体破坏计算模拟分析；/n步骤六、确定航天器部件层级解体判据参数及条件边界参数；/n步骤七、对航天器部件层级飞行航迹计算模拟；/n步骤八、对航天器部件层级结构解体破坏计算模拟分析；/n步骤九、构建航天器碎片/微粒层级的块条片模型；/n步骤十、航天器碎片存活性及模拟计算条件边界分析；/n步骤十一、航天器碎片/微粒层级气动力及飞行航迹计算模拟；/n步骤十二、航天器碎片/微粒层级落区分析评估；/n步骤十三、地面风险评估。/n

【技术特征摘要】
20191119 CN 20191113425561.一种航天器再入陨落的分析预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对航天器结构分析并构建解体三层级模型；所述解体三层级模型包括航天器系统/子系统层级、航天器部件层级和航天器碎片/微粒层级；
步骤二、对航天器系统/子系统层级和航天器部件层级进行气动力、气动热和飞行特性计算分析；
步骤三、确定航天器系统/子系统层级解体判据参数及条件边界参数；
步骤四、对航天器系统/子系统层级飞行航迹计算模拟；
步骤五、对航天器系统/子系统层级结构解体破坏计算模拟分析；
步骤六、确定航天器部件层级解体判据参数及条件边界参数；
步骤七、对航天器部件层级飞行航迹计算模拟；
步骤八、对航天器部件层级结构解体破坏计算模拟分析；
步骤九、构建航天器碎片/微粒层级的块条片模型；
步骤十、航天器碎片存活性及模拟计算条件边界分析；
步骤十一、航天器碎片/微粒层级气动力及飞行航迹计算模拟；
步骤十二、航天器碎片/微粒层级落区分析评估；
步骤十三、地面风险评估。


2.如权利要求1所述的航天器再入陨落的分析预报方法，其特征在于，所述航天器系统/子系统层级中航天器系统指航天器整器形式、航天器子系统一般为特大型航天器的较完整组段或外部附属部件脱落的完整舱段；所述航天器部件层级指航天器舱体内外具有一定功能性及结构外形确定性的外接物或内容物；所述航天器碎片/微粒层级指的是不可直观辨识原本几何形态的残留物，属于抽象化模型。


3.如权利要求1所述的航天器再入陨落的分析预报方法，其特征在于，所述步骤二，气动力计算分析采用工程计算方法或数值模拟方法；基于航天器陨落体及其残骸复杂外形的特点，气动力计算以工程方法为主；用数值模拟进行补充及典型状态计算结果对比验证；
所述步骤二中，系统/子系统层级航天器整器解体前的气动热参数通过数值模拟如DSMC方法获得；从航天器陨落分析预报的工程应用角度出发，沿弹道大量热环境参数采用快速工程计算方法；由于对变形陨落体及解体部件形状的不确切预期，热环境工程计算中，对局部细节适当简化。


4.如权利要求3所述的航天器再入陨落的分析预报方法，其特征在于，所述气动力工程计算方法采用面元法，包括连续流区牛顿理论及其修正，自由分子流区分子碰撞理论，以及稀薄过渡流区搭接公式处理；所述数值模拟方法包括Boltzmann模型方程统一算法、DSMC数值模拟、N-S/DSMC耦合算法、NS方程数值模拟中的任意一种；
所述气动热参数获得的具体处理中，陨落体迎风面进行轴对称比拟假设，通过采用等价体方法将有攻角和侧滑角的绕流问题转化为单纯的总攻角绕流问题；运用等效球锥体方法，可进一步化为零攻角绕流问题；通过以上变换后，可用零攻角球锥体气动热计算方法来计算有攻角和带侧滑的气动热问题。


5.如权利要求1所述的航天器再入陨落的分析预报方法，其特征在于，所述步骤二中，飞行特性计算分析采用六自由度或三自由度弹道计算方法；当需要把握解体前运动细节时可采用六自由度弹道方程；弹道方程组可采用4阶Runge-Kutta法积分逐步求解。


6.如权利要求1所述的航天器再入陨落的分析预报方法，其特征在于，所述步骤三中，针对航天器陨落过程仿真建模分析中存在不确定性的飞行环境、气动力/热、飞行运动及姿态参数，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，构...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小伟，李四新，石卫波，梁杰，王泽江，蒋新宇，党雷宁，彭傲平，方明，李志辉，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51