一种基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法，涉及航天器试验领域，包括：航天器动态纵横比的概念构建和阐释；构建球头尾圆柱系列构型标定大气阻力和纵横比的关联关系；应用航天器数模表面网格

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法


[0001]本专利技术涉及航天器试验领域。更具体地说，本专利技术涉及一种用在航天器设计、试验和测试过程中的一种基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法。

技术介绍

[0002]低地球轨道（LEO：Low Earth Orbit）上运行的航天器，一般运行于距离地球表面高度小于2000km的范围。在LEO高度范围内，稀薄大气环境对航天器的作用虽然微弱但产生的影响却是实实在在的。对于高度范围在200km至500km内的超低轨道航天器，如果没有能量补充，一般都会在有限的时间内由于轨道高度衰减而再入稠密大气层陨落。诸如运行在高度400km左右的空间站等航天器，其轨道衰降至陨落的时间一般在几年以内。
[0003]绕地球运行的航天器轨道参数的变化受到许多方面因素影响，但是其高度的衰减主要由于大气环境的作用而导致。因此，当航天器运行高度不是特别高时是不能忽略大气环境作用的。在轨道动力学中，大气环境作用的基本参量即为航天器受到的气动阻力，在高度120km以上，空气动力学中认为此时处于自由分子流状态，因此，LEO航天器自由分子流大气阻力的确定是非常重要的一个技术问题。
[0004]学术界对航天器大气阻力的各种计算方法手段统称为大气阻力模型，大气阻力模型是影响轨道确定及预报精度的主要因素之一。对于LEO航天器，传统的大气阻力模型精度主要取决于大气密度、阻力系数以及有效迎风面积的精度。现有大气密度模型已比较精确并得到了普遍应用，如CIRA系列、DTM系列、Jacchia系列、MSIS系列等。另外，由于轨道环境中自由分子流假设成立，通常认为在轨航天器的阻力系数为常数。有效迎风面积的精确计算也逐步建立了一些有效的方法。
[0005]然而，自由分子流理论指出，航天器大气阻力是由分子碰撞固体表面的法向分量和切向分量两部分组成的；某些情况下的切向分量甚至占据重要地位。因此，仅依赖于航天器迎风面积的大气阻力计算存在不可忽略的缺陷。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0007]为了实现本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法，包括：S1、构建航天器动态纵横比；S2、构建球头尾圆柱系列构型标定大气阻力和动态纵横比的关联关系；S3、基于航天器数模表面网格与投影截面投射技术，以计算任意姿态下航天器的动态纵横比；S4、将S2中的关联关系、S3中得到的动态纵横比均引入至复杂外形航天器任意姿态下的大气阻力计算中。
[0008]优选的是，在S1中，所述航天器动态纵横比是用于定量描述航天器飞行过程中，不同姿态下垂直气流方向的平均投影截面积和沿气流方向的投影截面积即迎风大面积之比的可测量或者可计算的参数；其中，上述垂直气流方向的平均投影截面积，是指与气流方向平行的旋转轴进行周向绕360
°
，且垂直于气流方向的投影截面积进行综合平均计算得到。
[0009]优选的是，在S2中，所述关联关系的构建方式为：S21、将球头尾圆柱系列构型的球头、球尾设置为半圆球，圆柱直径为1米，圆柱总长度取1米至20米；S22、应用自由分子流碰撞理论，采用同样尺度的网格划分对圆柱系列外形进行攻角0
°
时的气动力进行数值求解计算；S23、基于不同长细比的圆柱构型的动态纵横比理论值，以及气动力理论计算值，获得LEO航天器大气阻力和纵横比的关联关系，所述关联关系通过一个比例系数进行锚定，所述比例系数经过换算修正后得到如下式的阻力系数：上式中，C
D0
为长细比或动态纵横比均为1的标定模型阻力系数，为动态纵横比。
[0010]优选的是，在S3中，所述动态纵横比的获取流程为：S31、针对航天器三维数模生成表面网格，网格面元信息包括网格每个面元的中心位置、面积及单位外法向量；S32、建立航天器纵向体轴和气流方向平行的基准坐标系，在基准坐标系中针对不同姿态下的航天器面元信息进行坐标旋转变换；S33、在航天器迎风截面投影范围内划分规范化格子，沿气流方向把面元投射到迎风截面上，统计被投射面元的格子数量并累加其面积，以得到航天器任意姿态下的迎风面积；S34、在垂直于气流方向的截面上投影范围内划分规范化格子，把面元投射到该截面上，统计被投射面元的格子数量并累加其面积，以得到从航天器视角时任意姿态下的横向投影截面积；S35、将垂直气流方向的平均投影截面积和迎风面积之比作为航天器动态纵横比：其中，S
W
为迎风面积，S
H
为垂直气流方向平均投影截面积，S
H,i
为一个垂直气流方向的投影截面积，i为垂直气流方向投影的序号，N为周向进行垂直气流方向的投影次数。
[0011]优选的是，在S4中，在传统基于迎风面积的LEO航天器大气阻力计算公式中，引入S2中的关联关系和S3中计算得到的动态纵横比进行修正，以得到如下的自由分子流大气阻力F
Free
的修正公式：其中，ρ为航天器飞行环境处的大气密度，V为来流速度亦即航天器飞行速度，
为基于动态纵横比修正的大气阻力系数。
[0012]本专利技术至少包括以下有益效果：其一，构建的航天器动态纵横比概念可以很好地适用于修正传统的基于迎风面积而没有充分考虑纵向几何特征的大气阻力计算方法，通过来说，动态纵横比越大，修正幅度越大。
[0013]其二、航天器动态纵横比的概念，是利用现代航天工程中的航天器构型数模采用完全的数字化方法，故其在对大气阻力进行计算时，更加快速、高效且精准。
[0014]其三，针对航天器飞行过程中，无论处于任何姿态均可以采用本专利技术算法精确计算大气阻力。
[0015]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0016]图1为基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法流程图；图2为用于标定阻力系数
‑
动态纵横比的球头尾圆柱系列构型；图3为用于标定的阻力系数
‑
动态纵横比关系曲线；图4为实施例复杂外形航天器LTG的俯视示意图；图5为实施例复杂外形航天器LTG的前视示意图；图6为实施例复杂外形航天器LTG的侧视示意图；图7为复杂外形航天器LTG大气阻力系数曲线。
具体实施方式
[0017]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0018]基于自由分子流在理论上同样作用于横向面积上，本专利技术构造动态纵横比作为大气阻力计算的基础参数之一，并根据理论解形成大气阻力和纵横比的关联关系。
[0019]进一步的来说，本专利技术提供的一种基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法，提出并构建动态纵横比的概念用以解决传统算法中的仅仅基于迎风面积而没有充分考虑纵向几何特征；采用数字化手段实现动态纵横比的标定及复杂外形航天器的应用流程。
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法，其特征在于，包括：S1、构建航天器动态纵横比；S2、构建球头尾圆柱系列构型标定大气阻力和动态纵横比的关联关系；S3、基于航天器数模表面网格与投影截面投射技术，以计算任意姿态下航天器的动态纵横比；S4、将S2中的关联关系、S3中得到的动态纵横比均引入至复杂外形航天器任意姿态下的大气阻力计算中。2.如权利要求1所述的基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法，其特征在于，在S1中，所述航天器动态纵横比是用于定量描述航天器飞行过程中，不同姿态下垂直气流方向的平均投影截面积和沿气流方向的投影截面积即迎风大面积之比的可测量或者可计算的参数；其中，上述垂直气流方向的平均投影截面积，是指与气流方向平行的旋转轴进行周向绕360
°
，且垂直于气流方向的投影截面积进行综合平均计算得到。3.如权利要求1所述的基于动态纵横比的LEO航天器大气阻力算法，其特征在于，在S2中，所述关联关系的构建方式为：S21、将球头尾圆柱系列构型的球头、球尾设置为半圆球，圆柱直径为1米，圆柱总长度取1米至20米；S22、应用自由分子流碰撞理论，采用同样尺度的网格划分对圆柱系列外形进行攻角0
°
时的气动力进行数值求解计算；S23、基于不同长细比的圆柱构型的动态纵横比理论值，以及气动力理论计算值，获得LEO航天器大气阻力和纵横比的关联关系，所述关联关系通过一个比例系数进行锚定，所述比例系数经过换算修正后得到如下式的阻力系数：上式中，C
D0
为长细比或动态纵横比均为1的标定模型阻力系数，为动态...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小伟，
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：