面向临港空间的大气风场建模与仿真分析

面向临港空间的大气风场建模与仿真分析

相邻空间是指与地面高度为20km100km的空间范围。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靠近生态环境1.1大气环境要素的应用环境要素,大气环境要素的概念及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1.2大气宏观变化的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“爆发性增温”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动态及静态特性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2.1中国地区平稳风模型建立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近地表阵风幅值的解算在相当短的时间内,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:式中,d为滞后距离,L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)当初始阵风V式中,等效偏差2)当初始阵风V式中,等效偏差3近视空间环境的模拟和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风景秀丽特征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风速随责任意识的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。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。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天气边界层底层各高度的时域演化最大风速55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。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阵风幅值与大气运动的关系给定幅值置信度、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V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不同季节动态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。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平稳风对高超声速航天器的影响分析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