临近空间敏感区域要素与强扰动现象对高速飞行器的作用

　
　    引言

　　临近空间是距地球表面高度 20～100km 之间的空间区域，处于航空与航天的结合部，具有独特的优势和战略价值。临近空间飞行器是指能够在临近空间空域内飞行，并执行特定任务的飞行器，目前主要集中于浮空飞行器、高空无人机与高速飞行器等研究领域。

　　由于临近空间空气稀薄，一方面，飞行器若要获得较强的机动能力和足够的升力保证，必须实现高速飞行；另一方面，稀薄的空气也可有效减小空气阻力，使得在稠密大气中难以实现的超声速、高超声速飞行，在临近空间中相对容易。因而，以超声速、高超声速飞行的临近空间高速飞行器成为了世界各国竞相发展的重点。它以火箭或吸气式发动机作为动力，具有飞行速度快、机动能力强等特点。其中，又以美国的 X 系列最为著名，已有三十余年的研究基础，先后经历了四个发展阶段，分别以 X-15、X-30、X-43、X-51 等型号作为其突出代表。其中，X-43A 在 2004年 3 月的一次试飞中，在 30 千米的高空实现了速度为 M7的自主飞行，同年11月，X-43A的最大速度已经达到M9.8，初步实现“2 小时全球到达”的目标。

　　对于高速飞行器，临近空间环境要素和强扰动现象的影响尤为明显，直接影响着飞行安全和任务完成。开展临近空间环境对高速飞行器影响研究已成为当前急需解决的关键课题之一。对于该领域的研究工作，传统的飞行试验方法经费投入大、周期长，受测控技术限制，数据样本较少。近年来，伴随着空间科学和计算机仿真的飞速发展，国外率先采用了基于仿真技术的研究方法，就是进行临近空间环境和高速飞行器耦合仿真，将临近空间要素和强扰动现象加入到高速飞行器仿真模型当中，从而全面、系统、定量计算临近空间环境对高速飞行器的影响效应。工程实践证明，该方法具有高效经济和安全实用等优点，受到了广泛重视，并得到了推广应用。

　　近年来，我国也积极开展了临近空间高速飞行器的基础研究和工程试验。因此，在对国内外临近空间高速飞行器工程型号全面调研的基础上，选取典型仿真研究对象，对于临近空间环境及其影响效应进行系统分析，论证提出仿真研究方案，并突破主要关键技术，进行典型仿真应用，无疑将为进一步开展研究工作打下坚实的基础，提供有力的技术支撑。

　　1   临近空间环境及其影响分析

　　1.1  临近空间环境要素和强扰动现象

　　临近空间自下而上包括平流层、中间层区域和部分电离层区域。当前，临近空间内的大气和空间环境要素、现象的气候分布、现时状态和演变规律成为了关注的焦点。

　　临近空间环境要素，可分为大气环境要素和空间环境要素。

　　对于高速飞行器而言，其敏感要素主要包括大气密度、大气温度、风向、风速、电子密度、化学组分等。

　　临近空间强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（10～1000公里量级）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。

　　1.2  影响效应分析

　　具体而言，临近空间环境要素和强扰动效应对高速飞行器的影响主要体现在以下两个方面：

　　（1)  对飞行器航迹/姿态的影响 。

　　在临近空间，高速飞行器依靠发动机推进，按照预定的程序和航迹飞行。当前，高速飞行器一般按照标准大气参数计算出标准航迹，包括速度、位置和控制时间。由于实际大气环境与标准大气参数存在偏差，致使实际航迹往往偏离预设标准航迹。为达到航迹精度要求，保证实际飞行参数与标准航迹参数趋于一致，一般在飞行中通过制导对高速飞行器进行航迹/姿态的控制和调整。但制导系统承受大气环境因素干扰的能力有一定限度。例如：当临近空间大气温度和压力显著偏离标准状态时，将会直接影响发动机推力，进而影响飞行航迹参数；临近空间大气密度的变化直接影响到高速飞行器所受阻力的大小，使飞行速度和航迹倾角发生变化，从而产生航迹偏差；临近空间风场扰动的影响与大气密度不同，风具有方向性，理论和工程试验都表明，风速矢量的变化不但会影响高速飞行器的飞行航迹，而且会干扰其姿态控制，对高速飞行器的安全构成了一定威胁；临近空间中的强风切变更易使高速飞行器处于较大幅度动态之中，进而使惯性测量系统产生动态误差，并影响精确制导敏感仪器的测量精度，最终严重影响其制导精度。

　　（2)  对飞行器隐身、通讯和测控的影响 。

　　在临近空间中，高速飞行器在一般处于超声速、高超声速飞行状态。此时，在飞行器的前端会形成强的弓形激波，由于激波的压缩和空气的粘性作用，使得大量动能转换为热能，产生严重的气动加热。当空气密度和飞行速度达到一定值时，气动加热导致的高温效应足以引起大气分子的电离。一方面，大气电离导致的热力、化学非平衡效应会直接影响高速飞行器的气动力/矩参数，导致其飞行航迹/姿态发生变化，进而影响精确测量、控制和导航；另一方面，大气电离会在飞行器周围形成一定厚度的等离子体层，称为“等离子体鞘套”。等离子体鞘套内含有大量的自由电子，它们吸收、反射和散射电磁波，轻则干扰电波传输，重则导致通信中断，对测控产生了较大的负面影响，导致所谓的“黑障效应”；与此同时，在一定条件下，该等离子体鞘套又能有效减小高速飞行器的雷达反射面积，对于高速无人飞行器隐身具有非常积极的作用。

　　2   临近空间环境对高速飞行器影响仿真

　　2.1  总体技术方案

　　选取高速飞行器典型仿真研究对象，在 Matlab 集成化仿真环境中，构建其仿真虚拟样机，包括动力学、气动力等关键模块，简洁、高效地反映其基本飞行品质；同时，针对飞行区域，进行临近空间环境要素和强扰动现象数学建模与仿真再现。在此基础上，进行临近空间环境影响的数学物理建模和仿真实现，突破临近空间环境与高速飞行器耦合仿真关键技术，将临近空间环境仿真、高速飞行器飞行、影响定量评估等关键仿真模块进行系统集成，搭建临近空间环境与高速飞行器耦合仿真平台，在临近空间环境扰动条件下，进行高速飞行器的飞行仿真，对一种或几种环境敏感要素的影响效应进行仿真，获得飞行弹道/姿态、等离子鞘套特性等关键参数，全面、系统、定量评估临近空间环境影响效应及其严重程度。其主要模块及流程框图见图 1：

　　

　　2.2  关键技术及演示验证

　　2.2.1  临近空间环境建模仿真

　　作为研究工作的基础任务，临近空间环境建模仿真，即针对临近空间大气和空间环境要素、强扰动现象的气候分布、现时状态和演变规律建立数学、物理模型，仿真再现临近空间环境条件，客观、定量地提供临近空间环境参数分布，为进一步开展环境影响仿真研究奠定基础。常用的方法有简化模型、统计学建模和动力学建模等。

　　当前，各种临近空间环境简化模型的物理基础及其所依据的实测数据各有不同，需要我们针对仿真需求进行选择。较为常用的有国际标准大气模型、CIRA86 模型和 MSIS模型等。一般说来，临近空间简化模型只能表征环境参数变化的近似规律，但具有计算简单快捷的优点。
 

　　统计学建模，作为临近空间环境要素建模的主要方法，主要基于观探测资料与再分析数据，利用统计分析方法，通过资料预处理和数据融合分析，获取临近空间环境要素统计分析数据，对于拥有详细观探测站点和记录的地区，统计法建模具有较高的真实性和可靠性。图 2 即为本文利用某靶场多年气象观探测资料进行统计分析得到的十二月份纬向风场月平均数据。由图可知，该地域十二月份纬向风场与 CIRA86 参考大气数据存在较大差异，呈现明显的局地和季节特征。图 3 则为姚志刚博士等人利用卫星探测资料处理得到的东南沿海区域 30~40 公里高空的亮温数据资料。由图可知，重力波扰动的影响范围可达 1000km 以上，温度扰动幅度可达 15K。

　　临近空间环境动力学建模是在基本流体力学规律和一系列物理化学过程基础上,  基于大气环流模式，建立包括各类物理过程如辐射过程、对流和云的微物理过程和化学过程的中层大气模式。这些模式大多模拟平流层内大气力和化学过程，少数模式包括了热层的动力和化学过程。

　　图 4，5 即为刘毅研究员等人对 2004 年 1 月“爆发性增温”期间临近空间环境要素及臭氧浓度变化情况的仿真分析[5]由图可知，在中、高空大气层，温度在一周之内跃升近 40K，伴随着风速、风向的急剧转变。显然，将会对按照大气环境常态参数飞行、控制的高速飞行器带来巨大风险。

　　2.2.2  高速飞行器等离子鞘套特性计算理论和实验研究均表明，高速飞行器的等离子体鞘套特性与其几何结构、热屏蔽材料及临近空间环境参数、电子密度、组元分布等多个复杂因素有关，不仅在飞行器不同部位存在几个数量级的差异，而且在飞行中也会不断变化[6]。因此，对高速飞行器流场及其等离子体鞘套特性进行定量计算，需综合考虑以下物理、化学过程：

　　（1)  移动、转动、振动和电子能量模式间的能量交换；（2)  化学反应动力学模型；（3)  高温条件下输运特性的变化；（4)  表面催化效应；为全面考虑这些相互耦合的热力、化学复杂效应的影响，可利用“二温、十一组元模型”，即在化学反应过程为有限速率假设下，针对十一组元混合气体（N2、O2、N、O、NO、NO+、N2＋、O2＋、N＋、O＋、e－），采用温度 T 来代表分子、原子的移动能和分子的转动能，温度 Tv来代表分子的振动能和分子、原子的电子能量，构建 N-S 方程组和化学动力学方程组，来全面表征高速飞行器热化学非平衡流场的基本特性。轴对称热化学非平衡流场 N-S 控制方程组参见文献[7~9]，在化学反应过程为有限速率假设下，十一组元混合气体涉及 20 个化学反应，其化学动力学反应方程式如下：

　　

　　nr 是反应方程式个数，nj 是组元成分与催化物之和，Xi代表组元成分与催化物。αri、βri分别是反应物和生成物的当量系数。对于反应 r，正向反应速率常数 kf,r和逆向反应速率常数 kb,r的表达式为：

　　

　　其中 Tk是控制温度，C0r、C1r、C2r、D0r、D1r、D2r是依赖于反应方程的常数，有关反应速率常数见文献[9]。

　　图 6 即为本文采用“二温、十一组元模型”，对美国Applo 飞船再入 1634 秒时的等离子鞘套特性的仿真计算结果[9]。由图可知，在飞船头部激波区包覆有最大密度达到1017(1/cm3)的电子层，显然会对其测控和通讯造成不利影响。

    2.2.3  临近空间环境影响定量评估

    考虑到解析法求解繁杂，而且纯粹为理论分析，分析过程中往往要忽略很多因素，分析结果一般只能提供定性信息。因而对临近空间环境影响进行定量评估，蒙特卡罗(Monte  Carlo)法成为首选。在评估分析过程中，首先采用蒙特卡罗仿真方法，根据临近空间环境敏感要素对高速飞行器的影响机理，开展临近环境与高速飞行器耦合仿真，进行成百、上千次大样本蒙特卡洛仿真飞行试验，耦合环境敏感要素的影响效应，得到定量仿真结果；然后基于统计推断数学理论，对蒙特卡罗仿真结果进行分析计算，得到临近空间环境影响定量评估关键数据。图 7 即为某靶场临近空间环境条件影响下，某高速飞行器再入落点散布随月份变化的仿真结果。由图可知，高速飞行器落点精度随季节有较大变化，在 7 月份落到极小，在 12 月份达到极大，两者相差达到一倍.

　　3 结论
　　
　　1） 当前，国内外临近空间飞行器研究工作方兴未艾，对于高速飞行器而言，临近空间环境是影响其飞行、安全的重要因素之一，对其弹道/姿态、再入落点、等离子体鞘套特性均有较大扰动，应当给予高度重视，并进行全面、定量评估；
　　
　　2） 对于临近空间环境影响效应，采用系统仿真分析方法，可替代部分飞行试验工作，应用于临近空间飞行器论证设计、研制试验和气象保障部门，达到缩短周期、节约经费和安全高效的目的，值得在今后的工程实践中进行应用和推广。
　　
　　3） 未来，将在现有工作基础上，结合工程实际需求，优化模型、改进算法、提高效率，进一步提高研究成果的针对性和可靠性。
　　
　　参考文献：
　　
　　[1] Charles R, Mc Clinton, Vincent L, Rausch, et al. Preliminary X-43flight test results [J]. Acta Astronautica （S0094-5765）， 2005, 57（4）：266-276.
　　[2] 黄华， 徐幼平， 邓志武。 靶区大气环境对再入体落点精度影响仿真研究[J]. 系统仿真学报， 2009, 21（13）： 2910-2913.
　　[3] 黄华， 徐幼平， 邓志武。 基于HLA的大气环境联邦构建与应用[J].系统仿真学报， 2010, 22（2）： 411-414.
　　[4] 黄华， 顾春利， 陆汉城， 徐幼平。 体系对抗仿真中的大气环境联邦构建[J]. 仿真技术与应用， 2011, 13: 183-188.
　　[5] Y Liu, C X Liu, H P Wang, et al. Atmospheric tracers during the2003-2004 stratospheric warming event and impact of ozoneintrusions in the troposphere [J]. Atmos. Chem. Phys （S1680-7316），2009, 9（6）： 2157-2170.
　　[6] 瞿章华， 曾明， 刘伟， 柳军。 高超声速空气动力学[M]. 长沙： 国防科技大学出版社， 1999.
　　[7] 黄华， 瞿章华。 11组元轴对称热化学非平衡流场的数值研究[J].空气动力学学报， 1999, 17（4）： 462-465.
　　[8] 黄华， 曾明， 瞿章华。 热化学非平衡辐射流场数值研究[J]. 力学学报， 2000, 32（5）： 541-546.
　　[9] 黄华。 耦合辐射的非平衡流场数值研究[D]. 长沙： 国防科技大学，1999.