面向臨港空間的大氣風場建模與仿真分析

面向臨港空間的大氣風場建模與仿真分析

相鄰空間是指與地面高度為20km100km的空間范圍。臨近空間飛行器在大氣層中飛行時,大氣風場復雜變化和溫度、密度、氣壓狀態(tài)及動力學擾動,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、有效載荷產生重要影響傳統(tǒng)的大氣環(huán)境研究主要關注對流層空域,主要原因是對流層中包含了地球大氣80%的質量和幾乎全部水汽與氣溶膠,和人們日常生產生活密切相關的云、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,世界各國科研人員也逐漸開始關注這一區(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本文根據(jù)臨近空間飛行器的飛行特點和任務需求,重點研究了臨近大氣環(huán)境中風場的變化特征,并分析了臨近空間環(huán)境中風場對飛行器彈道的影響。1靠近生態(tài)環(huán)境1.1大氣環(huán)境要素的應用環(huán)境要素,大氣環(huán)境要素的概念及參數(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1.2大氣宏觀變化的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、鐵等微量成分平流層和熱層的對流運動很小,而中間層有較強烈的對流運動。臨近空間的水平平均風場在-200m/s~200m/s之間,風場的風向會隨高度而變化,因而會有零風層的存在,即可能在某個高度上風速為0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的電流,尤其是在磁暴期間,這種電流會有明顯的增強。臨界空間還存在著很多的光學現(xiàn)象,包括中層大氣閃電、氣輝、極光、夜光云、流星等。1.3“爆發(fā)性增溫”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)天內躍升幅度高達50K,溫度的升高及其引起的大氣密度和風場的顯著變化,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動態(tài)及靜態(tài)特性臨近空間大氣風場為臨近空間飛行器提供了空氣動力的介質,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精度。根據(jù)其對飛行器影響方式,可以將風分為平穩(wěn)風和隨機陣風兩種類型2.1中國地區(qū)平穩(wěn)風模型建立平穩(wěn)風通常是指特定時間段內風速的平均值,其大小隨著時間和空間不斷變化,它是風速的基準值。本文基于國軍標GJB5601-2006中的大氣風場數(shù)據(jù),建立了中國地區(qū)平穩(wěn)風模型。中華人民共和國國家軍用標準GJB5601-2006本模型以國家軍用標準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矢量,即包括風的經(jīng)緯度分量、合成風速、風向等信息。2.2近地表陣風幅值的解算在相當短的時間內,風速相對于規(guī)定時段平均值的短暫正負變化的風稱為陣風本文基于隨機陣風頻譜相關性完成了離散陣風幅值的解算,可以得到指定置信度條件下,不同陣風尺度時的陣風幅值大小。將Dryden頻譜函數(shù)進行傅立葉反變換確定其縱向,橫向和垂向處湍流的自相關函數(shù):式中,d為滯后距離,L對實測資料的分析可知,風速在縱向、橫向和垂向的三個分量都服從正態(tài)分布。假設初始陣風風速幅值為V1)當初始陣風V式中,等效偏差2)當初始陣風V式中,等效偏差3近視空間環(huán)境的模擬和特性分析本文基于臨近空間環(huán)境中的風場模型,對大氣環(huán)境進行了仿真,得到了臨近空間大氣風場的變化特征。3.1風景秀麗特征分析根據(jù)風場變化的周期長短,將平穩(wěn)風分為隨緯度-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行分析。1風速隨責任意識的變化風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。圖2.3分別給出北京地區(qū)和廈門地區(qū)平穩(wěn)風隨高度的變化。從圖2中可以明顯看出,風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。從圖3中可以看出,廈門地區(qū)風速變化不僅和高度有關,也與月份密切相關。在低空區(qū)域,1月到9月風速呈遞減趨勢,從9月到12月,風速整體呈增加趨勢。將仿真結果與大氣環(huán)境ERA-40再分析風場資料進行對比可知,平穩(wěn)風隨高度的變化規(guī)律與ERA-40再分析風場的變化規(guī)律基本一致。因此驗證了平穩(wěn)風模型的合理性,這將為今后臨近空間大氣環(huán)境的研究提供參考。2天氣邊界層底層各高度的時域演化最大風速55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生的,同時也與太陽和月球的潮汐有關。圖4給出了不同高度的風速日變化。圖中可以看出,北京地區(qū)近地面區(qū)域的最大風速,出現(xiàn)在午后溫度最高時,夜間風速最小。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分量和經(jīng)向風分量日振幅的年平均值。平穩(wěn)風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陣風幅值與大氣運動的關系給定幅值置信度、平均風速、等效偏差以及各高度的湍流實測數(shù)據(jù),經(jīng)解算即可得到任意位置處的陣風幅值V通過對比分析可知,當陣風的半寬度與引起陣風的湍流相關尺度相近時,陣風風速幅值達到最大。此外,隨機陣風幅值和高度有關,當高度處于對流層頂和平流層底的8km~12km時,大氣運動最為劇烈,陣風幅值達到最大。飛行高度上升到平流層時,風速迅速減小,最終到20km以上的臨近空間風速基本保持恒定且較小。本文提出的這種基于隨機陣風頻譜相關性的方法,可以直接解算離散陣風幅值,解決了目前關機隨機陣風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)驗置信度單一等問題。4不同季節(jié)動態(tài)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向風速變化的影響。大氣環(huán)境中平穩(wěn)的風速,雖然不會對飛行姿態(tài)產生劇烈影響,但會對飛行器的落點散布、再入窗口和軌跡產生顯著影響。圖7為北京地區(qū)不同月份平穩(wěn)風變化對某型驗證機的落點散布的影響。從圖中可以看出,在不同月份進行發(fā)射,軌跡落點最大偏差可達1500m,出現(xiàn)在12月份;軌跡落點最小偏差出現(xiàn)在7月,這與圖2中北京地區(qū)低空風速變化趨勢一致。全年平均風場主要是以西北風為主,所以可見導彈軌跡落點偏差都散布于無風的落點處(原點)偏向東南方向。該仿真結果表明,風場對臨近空間飛行器的影響主要體現(xiàn)在平穩(wěn)風的長周期變化上。5平穩(wěn)風對高超聲速航天器的影響分析本文針對臨近空間飛行器,介紹了影響飛行器設計、材料、飛行狀態(tài)和有效載荷的大氣環(huán)境,并主要對風場的變化特性進行了分析。根據(jù)本文仿真分析可給出如下結論。1)平穩(wěn)風的風速變化與高度,季節(jié)和地域密切相關,但其日變化范圍較小。因此,平穩(wěn)風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)隨機陣風幅值和高度有關。當陣風的半寬度與引起陣風的湍流相關尺度相近時,陣風風速幅值達