CN109710970A - 一种运载火箭末级再入大气解体分析方法 - Google Patents

一种运载火箭末级再入大气解体分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种运载火箭末级再入大气解体分析方法：首先建立运载火箭末级固体结构几何模型，并对其进行网格划分；之后，在每个计算周期执行如下步骤：获取运载火箭末级流固耦合界面上的流场参数，设置运载火箭末级固体的边界条件；利用网格化后的运载火箭末级的固体几何模型，进行传热分析，计算运载火箭末级内部的温度分布；根据运载火箭末级内部的温度分布，确定运载火箭解体时刻，将运载火箭末级分解成简单形状物体组成的碎片群；在运载火箭解体时刻之后，每个计算周期，估计每个碎片的运动轨迹，对每个分散部件进行烧蚀过程模拟，得到每个周期残余质量、残余形状，直到所有碎片被烧蚀光或者分散部件落地。本发明真实地反映运载火箭末级的再入大气解体特性，提高了解体分析的准确性。

Description

一种运载火箭末级再入大气解体分析方法
技术领域
本发明涉及一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，实现了废弃运载火箭末级的再入大气解体分析，属于运载火箭技术领域。
背景技术
运载火箭末级类空间目标无控制再入大气层时在强烈的气动载荷作用下会发生解体并产生大量碎片，该过程使得碎片数量增多，碎片的散布范围扩大，可能会对地面产生更大的威胁，开展运载火箭末级再入大气解体分析技术研究，形成合理的分析方案，对于防范运载火箭末级再入风险具有重要的应用价值。
传统的飞行器再入大气解体分析方法主要通过对再入物体进行烧蚀计算得到。具体的烧蚀计算方法包括零维烧蚀模型与一维烧蚀模型两种。零维烧蚀模型假定物体内部温度分布均匀，不考虑热传导效应，当再入过程中的吸热总量达到物体完全熔化所需热量时认为物体完全烧蚀，即质量变为0。
一维烧蚀模型考虑沿物体厚度方向的热传导，将物体沿厚度方向划分为一定数量的层状单元，建立每一层单元的热传导方程，即单元吸热量等于从单元边界面流入或流出的热流量。在求解过程的每个时间步判断各个单元是否被完全烧蚀，并更新物体整体尺寸和总质量。
单纯使用这两种方法对于小型的质量均匀的再入物体的烧蚀计算是有效的，对于尚处于完整状态的运载火箭末级这种再入物体来说是不适用的。因为运载火箭末级箭体属于金属薄壳空心结构，既不能假设为质量均匀的物体进行计算，也不能对其表面进行统一分层逐步计算，因为其壳体仅有几毫米，而且是在空气中极易烧蚀的铝。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了运载火箭末级再入大气解体分析方案，实现了适用于运载火箭末级金属薄壳空心结构再入大气解体计算的方法，满足运载火箭末级再入大气解体分析的需求。
本发明的技术解决方案是：一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于步骤如下：
(1)、建立运载火箭末级固体结构几何模型，并对其进行网格划分；
之后，在每个计算周期执行如下步骤：
(2)、获取运载火箭末级流固耦合界面上的流场参数，设置运载火箭末级固体的边界条件；所述流场参数包括气流的压强、温度、速度；
(3)、利用网格化后的运载火箭末级的固体几何模型，进行传热分析，计算运载火箭末级内部的温度分布；
(4)、根据运载火箭末级内部的温度分布，确定运载火箭解体时刻，将运载火箭末级分解成简单形状物体组成的碎片群；
(5)、在运载火箭解体时刻之后，每个计算周期，估计每个碎片的运动轨迹，对每个分散部件进行烧蚀过程模拟，得到每个周期残余质量、残余形状，直到所有碎片被烧蚀光或者分散部件落地。
所述运载火箭解体时刻确定为运载火箭任意关键连接部件失效时刻，具体方法为：
(4.1)、根据运载火箭末级内部的温度分布，确定运载火箭末级内部预设的关键连接部件的温度，进行热应力分析，得到关键连接部件的和热应力；
(4.2)、判断运载火箭末级内部预设的关键连接部件的温度和热应力任一项是否超过相应的预设门限，如果任意一项超过预设门限，即认为该运载火箭末级关键连接部件失效，从而确定任意关键连接部件失效时刻。
所述步骤(2)将运载火箭末级中的贮箱壳体划分为单层网格。
所述步骤(3)应用有限差分方法进行传热分析，计算运载火箭末级固体内部的温度分布。
所述步骤(4)根据如下原则将运载火箭末级分解成多个分散部件：同一个部件分散成多个碎片，同一碎片只能是一种材料。
所述碎片形状包括球状、方块状、圆柱。
所述运载火箭末级流固耦合界面上的流场参数通过如下方法获取：
(2.1)、建立描述运载火箭末级所在的三维流场的几何模型；
(2.2)、对运载火箭末级所在的三维流场的几何模型进行网格剖分；
(2.3)、为网格化后的运载火箭末级所在的三维流场设置边界条件；
(2.4)、在每个计算周期，根据运载火箭末级的惯性弹道，计算运载火箭末级所在位置，进而设置当前计算周期运载火箭末级所在位置不受火箭扰动气流的速度、温度和压强，设置流场参数边值；所述流场参数包括流动速度、流体温度、流体压强；
(2.5)、根据流场参数边值，进行流场计算，获得运载火箭末级流场参数，从而得到流固耦合界面上的流场参数。
所述步骤(2.5)中采用有限差分方法，计算流场参数。
所述步骤(5)中：
对于由耐受温度高于1000℃的高温合金材料构成的碎片，应用一维烧蚀模型计算其烧蚀解体的过程。
对于由铝合金等熔点低于660℃的低熔点材料构成的碎片，应用零维烧蚀模型计算其烧蚀解体的过程。
所述碎片的运动轨迹按照运载火箭末级惯性弹道估计。
所述关键连接部件包括运载火箭贮箱与火箭发动机之间的连接杆，运载火箭贮箱柱段壳体。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明专门针对运载火箭末级构建再入大气解体模型，与现有的针对小型的质量均匀的再入物体的烧蚀模型相比，采用本发明的计算流程，能更真实地反映运载火箭末级的再入大气解体特性，提高了解体分析的准确性；
(2)、本发明的运载火箭末级模型考虑了高温合金材料部件与低熔点材料部件的巨大差异性，分别采用一维烧蚀模型和零维烧蚀模型，提高了计算的准确性；
(3)、本发明对运载火箭末级未解体前的计算采用了流固热耦合分析方法，确保了运载火箭末级解体前烧蚀计算的准确性；
(4)、本发明根据运载火箭末级流固热耦合分析，确定运载火箭末级关键连接部件的失效时间。在该事件处，令运载火箭末级主要部件解体。相比于传统的设定再入高度解体的方法更为准确客观。
(5)、本发明综合利用零维烧蚀和一维烧蚀模型计算解体碎片的烧蚀，加快了计算的速度。
附图说明
图1为运载火箭末级流固热耦合分析示意图；
图2为运载火箭末级再入大气解体分析流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
图1为运载火箭末级再入大气解体分析流程图，从图1可知，本发明针对运载火箭末级，针对其固有特点构建专门的再入大气解体分析方法，具体步骤如下：
(1)、建立描述运载火箭末级几何外形、内部结构、尺寸、壁厚的运载火箭末级固体结构几何模型，并对运载火箭末级固体结构几何模型进行网格划分；
由于运载火箭末级的推进剂贮箱为空心结构，壁面为铝制壳体，将运载火箭末级中的贮箱壳体划分为单层网格。
之后，在每个计算周期执行如下步骤：
(2)、获取运载火箭末级流固耦合界面上的流场参数，根据流固热耦合遵循守恒原则，即在流固耦合交界面处，满足流体与固体应力、热流速度、温度等变量的相等或守恒的原则，设置运载火箭末级固体的边界条件；所述流场参数包括气流的压强、温度、速度；
运载火箭末级流固耦合界面上的流场参数通过如下方法获取：
(2.1)、建立描述运载火箭末级所在的三维流场的几何模型；
(2.2)、对运载火箭末级所在的三维流场的几何模型进行网格剖分；
(2.3)、为网格化后的运载火箭末级所在的三维流场设置边界条件；
(2.4)、在每个计算周期，根据运载火箭末级的惯性弹道，计算运载火箭末级所在位置，进而设置当前计算周期运载火箭末级所在位置不受火箭扰动气流的速度、温度和压强，设置流场参数边值；所述流场参数包括流动速度、流体温度、流体压强；
(2.5)、根据流场参数初值，利用有限差分方法进行流场计算，获得运载火箭末级流场参数，从而得到流固耦合界面上的流场参数。
之后，在每个计算周期执行如下步骤：
(3)、利用网格化后的运载火箭末级的固体几何模型，进行传热分析，通过有限差分法计算运载火箭末级内部的温度分布；
(4)、根据运载火箭末级内部的温度分布，确定运载火箭解体时刻，将运载火箭末级分解成简单形状物体组成的碎片群；
所述运载火箭解体时刻确定为运载火箭任意关键连接部件失效时刻，具体方法为：
(4.1)、根据运载火箭末级内部的温度分布，确定运载火箭末级内部预设的关键连接部件的温度，进行热应力分析，得到关键连接部件的和热应力；所述关键连接部件包括运载火箭贮箱与火箭发动机之间的连接杆，运载火箭贮箱柱段壳体等。
(4.2)、判断运载火箭末级内部预设的关键连接部件的温度和热应力任一项是否超过相应的预设门限，如果任意一项超过预设门限，即认为该运载火箭末级关键连接部件失效，从而确定任意关键连接部件失效时刻。
(5)、判断运载火箭末级内部预设的关键连接部件的温度和热应力任一项是否超过相应的预设门限，如果任意一项超过预设门限，即认为该运载火箭末级关键连接部件失效，将任意关键连接部件失效时刻确定为运载火箭解体时刻，将运载火箭末级分解成简单形状物体组成的碎片群。
所述碎片形状包括球状、方块状、圆柱。
根据如下原则将运载火箭末级分解成多个分散部件：同一个部件分散成多个碎片，同一碎片只能是一种材料。
(7)、在运载火箭解体时刻之后，每个计算周期，估计每个碎片的运动轨迹，对每个分散部件进行烧蚀过程模拟，得到每个周期残余质量、残余形状，直到所有碎片被烧蚀光或者分散部件落地。
所述碎片的运动轨迹按照运载火箭末级惯性弹道估计。
对于由耐受温度高于1000℃的高温合金材料构成的碎片，应用一维烧蚀模型计算其烧蚀解体的过程。
对于由铝合金等熔点低于660℃的低熔点材料构成的碎片，应用零维烧蚀模型计算其烧蚀解体的过程。
上述运载火箭末级再入大气解体分析方法，实现了运载火箭末级再入大气解体时刻的准确估算，可以快速计算运载火箭末级再入大气解体物体残存，满足运载火箭末级再入大气解体分析的需求。
图2所示为基于上述方法进行运载火箭末级流固热耦合分析示意图。由图2可知，本发明提出的一种运载火箭末级流固热耦合分析模型，包括：流体计算模型模块、固体计算模型模块。
流体计算模型得到的流场计算结果通过应力、位移、热流量、温度等变量的相等或守恒施加到固体计算模型之上，实现流体计算模型与固体计算模型的耦合计算。
流体模型的计算步骤如下：
(1)建立流场的几何模型；
(2)对流场几何模型进行计算流体力学网格剖分；
(3)在流场边界进行边界条件和初始条件的赋值；
(4)应用有限差分方法进行流场计算；
(5)获得流场计算结果；
(6)将流固耦合界面上的流场计算结果传送给固体模型。
固体模型的计算步骤如下：
(1)建立固体的几何模型；
(2)对所建立的固体几何模型进行网格剖分；
(3)利用流场计算结果进行边界条件赋值；
(4)进行固体结构的传热分析，得到固体内部温度分布；
(5)进行固体结构的热应力分析，得到固体内部热应力分布；
(6)进行固体结构的烧蚀破坏分析，得到每个时间步固体所损失的质量。
本发明中的运载火箭末级流固热耦合分析模型可以使得再入大气解体时刻计算更为准确，后续解体为碎片之后综合利用零维烧蚀和一维烧蚀模型，加快了计算的速度，因此，本发明中的运载火箭末级流固热耦合分析模型和基于运载火箭末级的再入大气解体分析方法可广泛用于运载火箭技术领域。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于步骤如下：
(1)、建立运载火箭末级固体结构几何模型，并对其进行网格划分；
之后，在每个计算周期执行如下步骤：
(2)、获取运载火箭末级流固耦合界面上的流场参数，设置运载火箭末级固体的边界条件；所述流场参数包括气流的压强、温度、速度；
(3)、利用网格化后的运载火箭末级的固体几何模型，进行传热分析，计算运载火箭末级内部的温度分布；
(4)、根据运载火箭末级内部的温度分布，确定运载火箭解体时刻，将运载火箭末级分解成简单形状物体组成的碎片群；
(5)、在运载火箭解体时刻之后，每个计算周期，估计每个碎片的运动轨迹，对每个分散部件进行烧蚀过程模拟，得到每个周期残余质量、残余形状，直到所有碎片被烧蚀光或者分散部件落地。
2.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于所述运载火箭解体时刻确定为运载火箭任意关键连接部件失效时刻，具体方法为：
(4.1)、根据运载火箭末级内部的温度分布，确定运载火箭末级内部预设的关键连接部件的温度，进行热应力分析，得到关键连接部件的和热应力；
(4.2)、判断运载火箭末级内部预设的关键连接部件的温度和热应力任一项是否超过相应的预设门限，如果任意一项超过预设门限，即认为该运载火箭末级关键连接部件失效，从而确定任意关键连接部件失效时刻。
3.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于所述步骤(2)将运载火箭末级中的贮箱壳体划分为单层网格。
4.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于所述步骤(3)应用有限差分方法进行传热分析，计算运载火箭末级固体内部的温度分布。
5.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于所述步骤(4)根据如下原则将运载火箭末级分解成多个分散部件：同一个部件分散成多个碎片，同一碎片只能是一种材料。
6.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于所述碎片形状包括球状、方块状、圆柱。
7.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于所述运载火箭末级流固耦合界面上的流场参数通过如下方法获取：
(2.1)、建立描述运载火箭末级所在的三维流场的几何模型；
(2.2)、对运载火箭末级所在的三维流场的几何模型进行网格剖分；
(2.3)、为网格化后的运载火箭末级所在的三维流场设置边界条件；
(2.4)、在每个计算周期，根据运载火箭末级的惯性弹道，计算运载火箭末级所在位置，进而设置当前计算周期运载火箭末级所在位置不受火箭扰动气流的速度、温度和压强，设置流场参数边值；所述流场参数包括流动速度、流体温度、流体压强；
(2.5)、根据流场参数边值，进行流场计算，获得运载火箭末级流场参数，从而得到流固耦合界面上的流场参数。
8.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于：所述步骤(2.5)中采用有限差分方法，计算流场参数。
9.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于：所述步骤(5)中：
对于由耐受温度高于1000℃的高温合金材料构成的碎片，应用一维烧蚀模型计算其烧蚀解体的过程。
对于由铝合金等熔点低于660℃的低熔点材料构成的碎片，应用零维烧蚀模型计算其烧蚀解体的过程。
10.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于：所述碎片的运动轨迹按照运载火箭末级惯性弹道估计。
11.根据权利要求1所述的一种运载火箭末级再入大气解体分析方法，其特征在于：所述关键连接部件包括运载火箭贮箱与火箭发动机之间的连接杆，运载火箭贮箱柱段壳体。
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