孫　磊,廉　璞,常曉飛,閆　杰

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,陜西西安　710072)

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臨近空間大氣環(huán)境建模及其對飛行器影響

孫磊,廉璞,常曉飛,閆杰

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,陜西西安710072)

臨近空間飛行器在大氣層飛行的過程中,其飛行狀態(tài)和工作性能會受到大氣環(huán)境的影響。首先對臨近空間大氣的宏觀變化和擾動類型進(jìn)行了簡要介紹,建立了基于國軍標(biāo)的中國地區(qū)平穩(wěn)風(fēng)模型和基于概率的最惡劣陣風(fēng)模型,并研究了風(fēng)場變化特性和陣風(fēng)幅值變化規(guī)律,最后仿真分析了大氣風(fēng)場對飛行器彈道的影響。仿真結(jié)果表明:大氣風(fēng)場對飛行器的落點(diǎn)散布有顯著影響,并且其影響結(jié)果與當(dāng)?shù)仄椒€(wěn)風(fēng)的長周期變化有關(guān)。

臨近空間;大氣環(huán)境;高超聲速飛行器;大氣風(fēng)場

臨近空間(Near Space)是指距離地面高度為20km～100km的空間范圍[1],處于航空與航天的結(jié)合部,具有獨(dú)特優(yōu)勢和戰(zhàn)略價值,目前已成為各國研究的熱點(diǎn)。

臨近空間飛行器在大氣層中飛行時,大氣風(fēng)場復(fù)雜變化和溫度、密度、氣壓狀態(tài)及動力學(xué)擾動,將直接影響著飛行器的姿態(tài)和位置等飛行狀態(tài);而臭氧、電子密度等空間環(huán)境參數(shù)變化,對飛行器總體、材料、有效載荷產(chǎn)生重要影響[2]。因此,對臨近空間大氣環(huán)境及其對飛行器的影響開展研究,為航天和國防工程服務(wù),具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

傳統(tǒng)的大氣環(huán)境研究主要關(guān)注對流層空域,主要原因是對流層中包含了地球大氣80%的質(zhì)量和幾乎全部水汽與氣溶膠,和人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活密切相關(guān)的云、霧、雨、雪、雷、冰雹等天氣現(xiàn)象均發(fā)生在該空域。而出于航天器環(huán)境及地球大氣物理研究的需求,對臭氧、大氣粒子、輻射能量的研究主要集中在電離層及其以上的空域。因此,相對于低層的對流層大氣環(huán)境和上部的電離層及以上空間天氣而言,介于兩者之間的臨近空間,是數(shù)據(jù)和研究較少的區(qū)域。隨著臨近空間飛行器研究逐漸成為熱點(diǎn),世界各國科研人員也逐漸開始關(guān)注這一區(qū)域的大氣特性,并在中子環(huán)境、大尺度的大氣環(huán)流等方面取得了一定成果[3]。孫雅等人對臨近空間中子的來源及其對飛行器和人體的危害進(jìn)行了闡述,并研究了臨近空間中子探測的原理與方法[4]。梅效東等人基于歐洲中尺度預(yù)報中心再分析資料對中國區(qū)臨近空間臭氧的空間分布、季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析,并利用SBDART輻射傳輸模型對臨近空間全波段太陽輻射及紫外輻射分別進(jìn)行模擬[5]。Zhu X等人對臨近空間大氣環(huán)境中的風(fēng)場進(jìn)行了研究,通過將空氣壓力和溫度引入到風(fēng)場預(yù)測模型,提高了模型的精度[6]。Williamson C E等人研究了臨近空間環(huán)境中的臭氧和紫外線輻射的關(guān)系,為之后的研究提供了理論支持[7]。但其對臨近空間飛行器的影響,還缺乏較為全面的研究和準(zhǔn)確的結(jié)論。

本文根據(jù)臨近空間飛行器的飛行特點(diǎn)和任務(wù)需求,重點(diǎn)研究了臨近大氣環(huán)境中風(fēng)場的變化特征,并分析了臨近空間環(huán)境中風(fēng)場對飛行器彈道的影響。

1　臨近空間大氣環(huán)境

1.1大氣環(huán)境參數(shù)

臨近空間大氣參數(shù)是描述臨近空間大氣狀態(tài)及其變化的物理量,可分為大氣環(huán)境要素和空間環(huán)境要素,基本參數(shù)包括大氣密度、大氣溫度、大氣壓力、大氣風(fēng)場、氧原子密度、臭氧含量、電子密度、中子輻射、鈉離子密度和流星通量等[8]。

1.2臨近空間大氣宏觀變化特征

臨近空間自下而上包括平流層區(qū)域、中間層區(qū)域和部分電離層區(qū)域[9]。臨近空間的下部(20km～55km)是平流層,其溫度隨高度增加而增加,到平流層頂達(dá)到最大,其原因是由于臭氧層吸收太陽紫外輻射加熱大氣造成。隨著高度的進(jìn)一步增加,臭氧含量逐漸減少,中間層(55km～85km)的大氣溫度隨高度逐漸減小,到中間層頂達(dá)到最小。電離層(85km以上)由于其吸收了太陽的遠(yuǎn)紫外輻射而部分發(fā)生電離,且隨高度增加電離程度逐漸增強(qiáng),因此溫度隨高度急劇增加。

臨近空間的空氣極為稀薄,主要成分與對流層相似,仍以氮、氧等為主要成分,另含有臭氧、水汽、鈉、鐵等微量成分[10]。相對于對流層而言,臨近空間環(huán)境含水汽極少,沒有雨雪等現(xiàn)象。由于太陽光紫外線的照射,大氣開始電離,所以存在電子、離子成分,還包括外層空間進(jìn)入的高能質(zhì)子和中子。

平流層和熱層的對流運(yùn)動很小,而中間層有較強(qiáng)烈的對流運(yùn)動。臨近空間的水平平均風(fēng)場在-200m/s～200m/s之間,風(fēng)場的風(fēng)向會隨高度而變化,因而會有零風(fēng)層的存在,即可能在某個高度上風(fēng)速為0[11]。

臨界空間大氣的波動特征極為明顯,這些波動包括重力波、潮汐波和行星波等。臨界空間中存在很強(qiáng)的電流,尤其是在磁暴期間,這種電流會有明顯的增強(qiáng)。臨界空間還存在著很多的光學(xué)現(xiàn)象,包括中層大氣閃電、氣輝、極光、夜光云、流星等。

1.3大氣環(huán)境擾動現(xiàn)象

臨近空間大氣擾動現(xiàn)象主要包括爆發(fā)性增溫及大氣密度劇變、大氣擾動和波動(重力波、行星波、潮汐波等)、急流及風(fēng)切變和湍流,以及太陽耀斑爆發(fā)引起的臨近空間粒子的短時間劇增等[12]。這些短時間出現(xiàn)的擾動現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅臨近空間飛行器的飛行安全和設(shè)備狀態(tài)。

出現(xiàn)于北半球平流層的“爆發(fā)性增溫”現(xiàn)象,可使高緯地區(qū)平流層溫度在數(shù)天內(nèi)躍升幅度高達(dá)50K,溫度的升高及其引起的大氣密度和風(fēng)場的顯著變化,對按照大氣環(huán)境常態(tài)參數(shù)駐留、飛行的臨近空間飛行器帶來巨大風(fēng)險;同樣,受重力波、行星波等大氣物理、動力過程的影響,在臨近空間范圍內(nèi)造成的中小尺度(10km～1000km量級)的環(huán)境參數(shù)劇烈變化,也對臨近空間飛行器駐留、飛行帶來危險。

2　臨近空間大氣環(huán)境建模

臨近空間大氣風(fēng)場為臨近空間飛行器提供了空氣動力的介質(zhì),其靜態(tài)物理特性和動態(tài)物理特性影響著在大氣層中飛行器的飛行性能和落點(diǎn)精度。

根據(jù)其對飛行器影響方式,可以將風(fēng)分為平穩(wěn)風(fēng)和隨機(jī)陣風(fēng)兩種類型[13]。因此,需要分別對臨近空間大氣風(fēng)場中的平穩(wěn)風(fēng)和陣風(fēng)進(jìn)行建模,從而分析臨近空間風(fēng)場及其對飛行器的影響。

2.1平穩(wěn)風(fēng)模型

平穩(wěn)風(fēng)通常是指特定時間段內(nèi)風(fēng)速的平均值,其大小隨著時間和空間不斷變化,它是風(fēng)速的基準(zhǔn)值。本文基于國軍標(biāo)GJB5601-2006中的大氣風(fēng)場數(shù)據(jù),建立了中國地區(qū)平穩(wěn)風(fēng)模型。

中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB5601-2006[14]規(guī)定了中國地面-80km高度內(nèi)的參考大氣,給出15°N-50°N,75°E-130°E的空間范圍內(nèi),以5°×5°為間隔共46個經(jīng)緯格點(diǎn),其地面-80km高度內(nèi)的大氣參數(shù)值。圖1給出了國軍標(biāo)GJB5601-2006中描述的區(qū)域范圍示意圖。

圖1　國軍標(biāo)中國風(fēng)場區(qū)域范圍圖

本模型以國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB5601-2006為參考,采用線性插值得到中國任意地區(qū),給定月份和高度的平均風(fēng)矢量,即包括風(fēng)的經(jīng)緯度分量、合成風(fēng)速、風(fēng)向等信息。

2.2基于概率的最惡劣陣風(fēng)模型

在相當(dāng)短的時間內(nèi),風(fēng)速相對于規(guī)定時段平均值的短暫正負(fù)變化的風(fēng)稱為陣風(fēng)[15]。陣風(fēng)一般是由大氣湍流引起的,湍流會形成許多大小不等、方向不同的旋渦,這些旋渦可增強(qiáng)或減弱其周圍氣流的速度,也可改變氣流的方向,從而引起陣風(fēng)[16]。

本文基于隨機(jī)陣風(fēng)頻譜相關(guān)性完成了離散陣風(fēng)幅值的解算,可以得到指定置信度條件下,不同陣風(fēng)尺度時的陣風(fēng)幅值大小。

將Dryden頻譜函數(shù)進(jìn)行傅立葉反變換確定其縱向,橫向和垂向處湍流的自相關(guān)函數(shù)：

Ru(d)=e-d/Lu

(1)

Rv(d)=e-d/Lv(1-d/2Lv)

(2)

Rw(d)=e-d/Lw(1-d/2Lw)

(3)

式中,d為滯后距離,Lu、Lv、Lw分別為縱向尺度、橫向尺度、垂向尺度。自相關(guān)函數(shù)描述了陣風(fēng)在不同位置處的分量之間的相關(guān)性。

對實(shí)測資料的分析可知,風(fēng)速在縱向、橫向和垂向的三個分量都服從正態(tài)分布。假設(shè)初始陣風(fēng)風(fēng)速幅值為V1,另一相關(guān)位置處的陣風(fēng)幅值為V2,則由條件概率,可以得到V2的條件概率密度函數(shù)。

1)當(dāng)初始陣風(fēng)V1=0時,V2的條件概率密度函數(shù)

(4)

(5)

2)當(dāng)初始陣風(fēng)V1≠0時,V2的條件概率密度函數(shù)

(6)

(7)

3　臨近空間大氣環(huán)境仿真及特性分析

本文基于臨近空間環(huán)境中的風(fēng)場模型,對大氣環(huán)境進(jìn)行了仿真,得到了臨近空間大氣風(fēng)場的變化特征。

3.1平穩(wěn)風(fēng)變化特性分析

根據(jù)風(fēng)場變化的周期長短,將平穩(wěn)風(fēng)分為隨緯度-季節(jié)的長周期變化和隨晝夜變化的短周期變化,下面分別對長周期變化和短周期變化進(jìn)行分析。

1)風(fēng)隨緯度-季節(jié)的長周期變化

風(fēng)場的長周期變化主要是受到全球大尺度環(huán)流的影響,隨緯度、高度和季節(jié)呈現(xiàn)一定周期的規(guī)律變化,并且與地域相關(guān)。

圖2.3分別給出北京地區(qū)和廈門地區(qū)平穩(wěn)風(fēng)隨高度的變化。

圖2　北京地區(qū)平穩(wěn)風(fēng)風(fēng)速與時間高度的關(guān)系

從圖2中可以明顯看出,風(fēng)速隨高度變化趨勢隨著月份的不同出現(xiàn)較大的差異,特別是在30km以上的高度,變化尤為劇烈。

圖3　廈門地區(qū)平穩(wěn)風(fēng)風(fēng)速與時間高度的關(guān)系

從圖3中可以看出,廈門地區(qū)風(fēng)速變化不僅和高度有關(guān),也與月份密切相關(guān)。在低空區(qū)域,1月到9月風(fēng)速呈遞減趨勢,從9月到12月,風(fēng)速整體呈增加趨勢。

將仿真結(jié)果與大氣環(huán)境ERA-40 再分析風(fēng)場資料進(jìn)行對比可知,平穩(wěn)風(fēng)隨高度的變化規(guī)律與 ERA-40 再分析風(fēng)場的變化規(guī)律基本一致。因此驗(yàn)證了平穩(wěn)風(fēng)模型的合理性,這將為今后臨近空間大氣環(huán)境的研究提供參考。

2)風(fēng)隨晝夜的短周期變化

在晝夜變化上,它是由太陽加熱的晝夜變化所引起的大氣膨脹和收縮產(chǎn)生的,同時也與太陽和月球的潮汐有關(guān)。圖4給出了不同高度的風(fēng)速日變化。

圖4　北京地區(qū)大氣邊界層風(fēng)速日變化曲線

圖中可以看出,北京地區(qū)近地面區(qū)域的最大風(fēng)速,出現(xiàn)在午后溫度最高時,夜間風(fēng)速最小。大氣邊界層上部氣溫的日變化趨勢與此相反,夜間風(fēng)速最大,白天溫度相對較小。

圖5為日本館野地區(qū)和美國亞速爾群島對流層和平流層底層各高度上緯向風(fēng)分量和經(jīng)向風(fēng)分量日振幅的年平均值。

圖5　對流層和平流層風(fēng)速日振幅的年平均值曲線

平穩(wěn)風(fēng)的短周期變化主要出現(xiàn)在大氣邊界層、對流層和平流層底層,且變化范圍較小。因此,平穩(wěn)風(fēng)對臨近空間飛行器的影響主要體現(xiàn)在長周期的變化上。

3.2陣風(fēng)變化特性分析

給定幅值置信度、平均風(fēng)速、等效偏差以及各高度的湍流實(shí)測數(shù)據(jù),經(jīng)解算即可得到任意位置處的陣風(fēng)幅值V2。通過仿真得到了指定置信度為99%時的不同陣風(fēng)尺度的幅值變化曲線，如圖6所示。

圖6　不同陣風(fēng)尺度下陣風(fēng)幅值隨高度的變化曲線

通過對比分析可知,當(dāng)陣風(fēng)的半寬度與引起陣風(fēng)的湍流相關(guān)尺度相近時,陣風(fēng)風(fēng)速幅值達(dá)到最大。此外,隨機(jī)陣風(fēng)幅值和高度有關(guān),當(dāng)高度處于對流層頂和平流層底的8km～12km時,大氣運(yùn)動最為劇烈,陣風(fēng)幅值達(dá)到最大。飛行高度上升到平流層時,風(fēng)速迅速減小,最終到20km以上的臨近空間風(fēng)速基本保持恒定且較小。

本文提出的這種基于隨機(jī)陣風(fēng)頻譜相關(guān)性的方法,可以直接解算離散陣風(fēng)幅值,解決了目前關(guān)機(jī)隨機(jī)陣風(fēng)模擬中存在的無法精確計算、用函數(shù)匹配曲線和基于統(tǒng)計經(jīng)驗(yàn)置信度單一等問題。

4　環(huán)境對高超聲速飛行器的影響分析

對于無動力滑翔高超聲速飛行器,其高升阻比的氣動外形極易受到風(fēng)向風(fēng)速變化的影響。大氣環(huán)境中平穩(wěn)的風(fēng)速,雖然不會對飛行姿態(tài)產(chǎn)生劇烈影響,但會對飛行器的落點(diǎn)散布、再入窗口和軌跡產(chǎn)生顯著影響。圖7為北京地區(qū)不同月份平穩(wěn)風(fēng)變化對某型驗(yàn)證機(jī)的落點(diǎn)散布的影響。

圖7　不同月份平均風(fēng)擾動下的彈道落點(diǎn)偏差

從圖中可以看出,在不同月份進(jìn)行發(fā)射,軌跡落點(diǎn)最大偏差可達(dá)1500m,出現(xiàn)在12月份;軌跡落點(diǎn)最小偏差出現(xiàn)在7月,這與圖2中北京地區(qū)低空風(fēng)速變化趨勢一致。全年平均風(fēng)場主要是以西北風(fēng)為主,所以可見導(dǎo)彈軌跡落點(diǎn)偏差都散布于無風(fēng)的落點(diǎn)處(原點(diǎn))偏向東南方向。該仿真結(jié)果表明,風(fēng)場對臨近空間飛行器的影響主要體現(xiàn)在平穩(wěn)風(fēng)的長周期變化上。

5　結(jié)束語

本文針對臨近空間飛行器,介紹了影響飛行器設(shè)計、材料、飛行狀態(tài)和有效載荷的大氣環(huán)境,并主要對風(fēng)場的變化特性進(jìn)行了分析。根據(jù)本文仿真分析可給出如下結(jié)論。

1)平穩(wěn)風(fēng)的風(fēng)速變化與高度,季節(jié)和地域密切相關(guān),但其日變化范圍較小。因此,平穩(wěn)風(fēng)對臨近空間飛行器的影響主要體現(xiàn)在長周期的變化上。

2)隨機(jī)陣風(fēng)幅值和高度有關(guān)。當(dāng)陣風(fēng)的半寬度與引起陣風(fēng)的湍流相關(guān)尺度相近時,陣風(fēng)風(fēng)速幅值達(dá)到最大。

3)大氣風(fēng)場對高超聲速飛行器的落點(diǎn)散布有顯著影響,其影響結(jié)果與當(dāng)?shù)仄椒€(wěn)風(fēng)的長周期變化相一致。

本文初步研究了臨近空間大氣環(huán)境的變化特性及其對飛行器的影響。后續(xù)研究需要完成以下工作。

將建立高置信度的陣風(fēng)模型,用于考核飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計。對空間環(huán)境因素進(jìn)行深入研究,給出其對飛行器結(jié)構(gòu)和有效載荷的定量影響范圍,指導(dǎo)地面驗(yàn)證考核試驗(yàn)的開展。

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Near Space Atmosphere Modeling and its Effect on the Aircraft

SUN Lei,LIAN Pu,CHANG Xiao-fei,YAN Jie

(College of Astronautics,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

In the process of near space aircraft flying in the atmosphere,the flight status and performance will be affected by atmospheric conditions.First of all,this paper briefly introduces the near space atmospheric macro change and disturbance type.A steady wind model based on Chinese national military standard and the worst gust model based on the probability are established in this paper.Then the characteristics of changes in wind field based on the wind model are analyzed.Finally,the simulation of the wind filed effects on the trajectory of the aircraft is presented.It is demonstrated that the wind field has a significant effect on the placement of aircraft and is related with the long period change of steady wind.

near space; atmosphere; hypersonic aircraft;wind field

1673-3819(2016)05-0107-07

2016-05-31

2016-07-20

孫磊(1975-),男，安徽淮南人，博士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與控制。

廉璞(1993-)，男，碩士研究生。

常曉飛(1983-)，男，博士，講師。

閆杰(1961-)，男，博士，教授。

TJ391;TJ761.1

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.023