临近空间大气环境建模及其对飞行器影响

孙　磊,廉　璞,常晓飞,闫　杰

(西北工业大学航天学院,陕西西安　710072)



临近空间大气环境建模及其对飞行器影响

孙磊,廉璞,常晓飞,闫杰

(西北工业大学航天学院,陕西西安710072)

临近空间飞行器在大气层飞行的过程中,其飞行状态和工作性能会受到大气环境的影响。首先对临近空间大气的宏观变化和扰动类型进行了简要介绍,建立了基于国军标的中国地区平稳风模型和基于概率的最恶劣阵风模型,并研究了风场变化特性和阵风幅值变化规律,最后仿真分析了大气风场对飞行器弹道的影响。仿真结果表明:大气风场对飞行器的落点散布有显著影响,并且其影响结果与当地平稳风的长周期变化有关。

临近空间;大气环境;高超声速飞行器;大气风场

临近空间(Near Space)是指距离地面高度为20km～100km的空间范围[1],处于航空与航天的结合部,具有独特优势和战略价值,目前已成为各国研究的热点。

临近空间飞行器在大气层中飞行时,大气风场复杂变化和温度、密度、气压状态及动力学扰动,将直接影响着飞行器的姿态和位置等飞行状态;而臭氧、电子密度等空间环境参数变化,对飞行器总体、材料、有效载荷产生重要影响[2]。因此,对临近空间大气环境及其对飞行器的影响开展研究,为航天和国防工程服务,具有重要的经济和军事意义。

传统的大气环境研究主要关注对流层空域,主要原因是对流层中包含了地球大气80%的质量和几乎全部水汽与气溶胶,和人们日常生产生活密切相关的云、雾、雨、雪、雷、冰雹等天气现象均发生在该空域。而出于航天器环境及地球大气物理研究的需求,对臭氧、大气粒子、辐射能量的研究主要集中在电离层及其以上的空域。因此,相对于低层的对流层大气环境和上部的电离层及以上空间天气而言,介于两者之间的临近空间,是数据和研究较少的区域。随着临近空间飞行器研究逐渐成为热点,世界各国科研人员也逐渐开始关注这一区域的大气特性,并在中子环境、大尺度的大气环流等方面取得了一定成果[3]。孙雅等人对临近空间中子的来源及其对飞行器和人体的危害进行了阐述,并研究了临近空间中子探测的原理与方法[4]。梅效东等人基于欧洲中尺度预报中心再分析资料对中国区临近空间臭氧的空间分布、季节变化特征进行了分析,并利用SBDART辐射传输模型对临近空间全波段太阳辐射及紫外辐射分别进行模拟[5]。Zhu X等人对临近空间大气环境中的风场进行了研究,通过将空气压力和温度引入到风场预测模型,提高了模型的精度[6]。Williamson C E等人研究了临近空间环境中的臭氧和紫外线辐射的关系,为之后的研究提供了理论支持[7]。但其对临近空间飞行器的影响,还缺乏较为全面的研究和准确的结论。

本文根据临近空间飞行器的飞行特点和任务需求,重点研究了临近大气环境中风场的变化特征,并分析了临近空间环境中风场对飞行器弹道的影响。

1　临近空间大气环境

1.1大气环境参数

临近空间大气参数是描述临近空间大气状态及其变化的物理量,可分为大气环境要素和空间环境要素,基本参数包括大气密度、大气温度、大气压力、大气风场、氧原子密度、臭氧含量、电子密度、中子辐射、钠离子密度和流星通量等[8]。

1.2临近空间大气宏观变化特征

临近空间自下而上包括平流层区域、中间层区域和部分电离层区域[9]。临近空间的下部(20km～55km)是平流层,其温度随高度增加而增加,到平流层顶达到最大,其原因是由于臭氧层吸收太阳紫外辐射加热大气造成。随着高度的进一步增加,臭氧含量逐渐减少,中间层(55km～85km)的大气温度随高度逐渐减小,到中间层顶达到最小。电离层(85km以上)由于其吸收了太阳的远紫外辐射而部分发生电离,且随高度增加电离程度逐渐增强,因此温度随高度急剧增加。

临近空间的空气极为稀薄,主要成分与对流层相似,仍以氮、氧等为主要成分,另含有臭氧、水汽、钠、铁等微量成分[10]。相对于对流层而言,临近空间环境含水汽极少,没有雨雪等现象。由于太阳光紫外线的照射,大气开始电离,所以存在电子、离子成分,还包括外层空间进入的高能质子和中子。

平流层和热层的对流运动很小,而中间层有较强烈的对流运动。临近空间的水平平均风场在-200m/s～200m/s之间,风场的风向会随高度而变化,因而会有零风层的存在,即可能在某个高度上风速为0[11]。

临界空间大气的波动特征极为明显,这些波动包括重力波、潮汐波和行星波等。临界空间中存在很强的电流,尤其是在磁暴期间,这种电流会有明显的增强。临界空间还存在着很多的光学现象,包括中层大气闪电、气辉、极光、夜光云、流星等。

1.3大气环境扰动现象

临近空间大气扰动现象主要包括爆发性增温及大气密度剧变、大气扰动和波动(重力波、行星波、潮汐波等)、急流及风切变和湍流,以及太阳耀斑爆发引起的临近空间粒子的短时间剧增等[12]。这些短时间出现的扰动现象,严重威胁临近空间飞行器的飞行安全和设备状态。

出现于北半球平流层的“爆发性增温”现象,可使高纬地区平流层温度在数天内跃升幅度高达50K,温度的升高及其引起的大气密度和风场的显著变化,对按照大气环境常态参数驻留、飞行的临近空间飞行器带来巨大风险;同样,受重力波、行星波等大气物理、动力过程的影响,在临近空间范围内造成的中小尺度(10km～1000km量级)的环境参数剧烈变化,也对临近空间飞行器驻留、飞行带来危险。

2　临近空间大气环境建模

临近空间大气风场为临近空间飞行器提供了空气动力的介质,其静态物理特性和动态物理特性影响着在大气层中飞行器的飞行性能和落点精度。

根据其对飞行器影响方式,可以将风分为平稳风和随机阵风两种类型[13]。因此,需要分别对临近空间大气风场中的平稳风和阵风进行建模,从而分析临近空间风场及其对飞行器的影响。

2.1平稳风模型

平稳风通常是指特定时间段内风速的平均值,其大小随着时间和空间不断变化,它是风速的基准值。本文基于国军标GJB5601-2006中的大气风场数据,建立了中国地区平稳风模型。

中华人民共和国国家军用标准GJB5601-2006[14]规定了中国地面-80km高度内的参考大气,给出15°N-50°N,75°E-130°E的空间范围内,以5°×5°为间隔共46个经纬格点,其地面-80km高度内的大气参数值。图1给出了国军标GJB5601-2006中描述的区域范围示意图。

图1　国军标中国风场区域范围图

本模型以国家军用标准GJB5601-2006为参考,采用线性插值得到中国任意地区,给定月份和高度的平均风矢量,即包括风的经纬度分量、合成风速、风向等信息。

2.2基于概率的最恶劣阵风模型

在相当短的时间内,风速相对于规定时段平均值的短暂正负变化的风称为阵风[15]。阵风一般是由大气湍流引起的,湍流会形成许多大小不等、方向不同的旋涡,这些旋涡可增强或减弱其周围气流的速度,也可改变气流的方向,从而引起阵风[16]。

本文基于随机阵风频谱相关性完成了离散阵风幅值的解算,可以得到指定置信度条件下,不同阵风尺度时的阵风幅值大小。

将Dryden频谱函数进行傅立叶反变换确定其纵向,横向和垂向处湍流的自相关函数：

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为滞后距离,Lu、Lv、Lw分别为纵向尺度、横向尺度、垂向尺度。自相关函数描述了阵风在不同位置处的分量之间的相关性。

对实测资料的分析可知,风速在纵向、横向和垂向的三个分量都服从正态分布。假设初始阵风风速幅值为V1,另一相关位置处的阵风幅值为V2,则由条件概率,可以得到V2的条件概率密度函数。

1)当初始阵风V1=0时,V2的条件概率密度函数

(4)

(5)

2)当初始阵风V1≠0时,V2的条件概率密度函数

(6)

(7)

3　临近空间大气环境仿真及特性分析

本文基于临近空间环境中的风场模型,对大气环境进行了仿真,得到了临近空间大气风场的变化特征。

3.1平稳风变化特性分析

根据风场变化的周期长短,将平稳风分为随纬度-季节的长周期变化和随昼夜变化的短周期变化,下面分别对长周期变化和短周期变化进行分析。

1)风随纬度-季节的长周期变化

风场的长周期变化主要是受到全球大尺度环流的影响,随纬度、高度和季节呈现一定周期的规律变化,并且与地域相关。

图2.3分别给出北京地区和厦门地区平稳风随高度的变化。

图2　北京地区平稳风风速与时间高度的关系

从图2中可以明显看出,风速随高度变化趋势随着月份的不同出现较大的差异,特别是在30km以上的高度,变化尤为剧烈。

图3　厦门地区平稳风风速与时间高度的关系

从图3中可以看出,厦门地区风速变化不仅和高度有关,也与月份密切相关。在低空区域,1月到9月风速呈递减趋势,从9月到12月,风速整体呈增加趋势。

将仿真结果与大气环境ERA-40 再分析风场资料进行对比可知,平稳风随高度的变化规律与 ERA-40 再分析风场的变化规律基本一致。因此验证了平稳风模型的合理性,这将为今后临近空间大气环境的研究提供参考。

2)风随昼夜的短周期变化

在昼夜变化上,它是由太阳加热的昼夜变化所引起的大气膨胀和收缩产生的,同时也与太阳和月球的潮汐有关。图4给出了不同高度的风速日变化。

图4　北京地区大气边界层风速日变化曲线

图中可以看出,北京地区近地面区域的最大风速,出现在午后温度最高时,夜间风速最小。大气边界层上部气温的日变化趋势与此相反,夜间风速最大,白天温度相对较小。

图5为日本馆野地区和美国亚速尔群岛对流层和平流层底层各高度上纬向风分量和经向风分量日振幅的年平均值。

图5　对流层和平流层风速日振幅的年平均值曲线

平稳风的短周期变化主要出现在大气边界层、对流层和平流层底层,且变化范围较小。因此,平稳风对临近空间飞行器的影响主要体现在长周期的变化上。

3.2阵风变化特性分析

给定幅值置信度、平均风速、等效偏差以及各高度的湍流实测数据,经解算即可得到任意位置处的阵风幅值V2。通过仿真得到了指定置信度为99%时的不同阵风尺度的幅值变化曲线，如图6所示。

图6　不同阵风尺度下阵风幅值随高度的变化曲线

通过对比分析可知,当阵风的半宽度与引起阵风的湍流相关尺度相近时,阵风风速幅值达到最大。此外,随机阵风幅值和高度有关,当高度处于对流层顶和平流层底的8km～12km时,大气运动最为剧烈,阵风幅值达到最大。飞行高度上升到平流层时,风速迅速减小,最终到20km以上的临近空间风速基本保持恒定且较小。

本文提出的这种基于随机阵风频谱相关性的方法,可以直接解算离散阵风幅值,解决了目前关机随机阵风模拟中存在的无法精确计算、用函数匹配曲线和基于统计经验置信度单一等问题。

4　环境对高超声速飞行器的影响分析

对于无动力滑翔高超声速飞行器,其高升阻比的气动外形极易受到风向风速变化的影响。大气环境中平稳的风速,虽然不会对飞行姿态产生剧烈影响,但会对飞行器的落点散布、再入窗口和轨迹产生显著影响。图7为北京地区不同月份平稳风变化对某型验证机的落点散布的影响。

图7　不同月份平均风扰动下的弹道落点偏差

从图中可以看出,在不同月份进行发射,轨迹落点最大偏差可达1500m,出现在12月份;轨迹落点最小偏差出现在7月,这与图2中北京地区低空风速变化趋势一致。全年平均风场主要是以西北风为主,所以可见导弹轨迹落点偏差都散布于无风的落点处(原点)偏向东南方向。该仿真结果表明,风场对临近空间飞行器的影响主要体现在平稳风的长周期变化上。

5　结束语

本文针对临近空间飞行器,介绍了影响飞行器设计、材料、飞行状态和有效载荷的大气环境,并主要对风场的变化特性进行了分析。根据本文仿真分析可给出如下结论。

1)平稳风的风速变化与高度,季节和地域密切相关,但其日变化范围较小。因此,平稳风对临近空间飞行器的影响主要体现在长周期的变化上。

2)随机阵风幅值和高度有关。当阵风的半宽度与引起阵风的湍流相关尺度相近时,阵风风速幅值达到最大。

3)大气风场对高超声速飞行器的落点散布有显著影响,其影响结果与当地平稳风的长周期变化相一致。

本文初步研究了临近空间大气环境的变化特性及其对飞行器的影响。后续研究需要完成以下工作。

将建立高置信度的阵风模型,用于考核飞行器的控制系统设计。对空间环境因素进行深入研究,给出其对飞行器结构和有效载荷的定量影响范围,指导地面验证考核试验的开展。

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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

孙磊(1975-),男，安徽淮南人，博士研究生，研究方向为导航与控制。

廉璞(1993-)，男，硕士研究生。

常晓飞(1983-)，男，博士，讲师。

闫杰(1961-)，男，博士，教授。

TJ391;TJ761.1

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.023