箔条云跨流区飘落飞行实时跟踪模拟研究.doc

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1、箔条云跨流区飘落飞行实时跟踪模拟研究*李志辉（国家计算流体力学实验室，北京100083）（中国空气动力研究与发展中心超高速研究所，绵阳621000）摘要文章通过研究集成计算空气动力学、弹道飞行力学、随机动力学与概率统计加权计算技术等方面研究成果，尝试开展箔条云统计模拟研究。通过研究发展随机动力学理论和统计散布取样技术，建立对机动飞行器上升段抛撒数亿箔条及形成的箔条云进行有限分组随机统计模拟方法；采用近年来文章作者所建立的空气动力学理论与计算技术发展可有效模拟从稀薄流到连续流不同高度、不同马赫数、不同飞行攻角与侧滑角及不同外形针状细长微型箔条个体气动特性计算方法；研究发展弹道飞行

2、力学数值方法计算确定任意时刻箔条个体飞行的空间位置、速度；尝试应用所发展的随机动力学加权技术和概率统计分布原理，进行箔条云整体性能分析，研究建立机动飞行器上升段抛撒释放若干箔条个体飘落飞行形成箔条云，跨越大气层内外空间运动轨迹与覆盖范围实时跟踪模拟方法。通过对某机动飞行器上升段抛撒数亿根箔条个体所形成的箔条云团在某雷达站位设置下飘落飞行整体运动性能计算与分析研究，模拟仿真结果与实际飞行预测结果相吻合，显示出所发展的箔条云飘落飞行覆盖范围与整体运动特性统计计算多尺度多物理场分析方法的工程实用和可靠性。关键词箔条云；空气动力学；随机动力学；飞行力学；概率分布理论；统计计算0引言数以

3、万亿计、质量很小的微型箔条个体从机动飞行器上升段某高度抛撒施放，因抛撒过程中外流场气动、箔条个体间相互碰撞、失稳及外界干扰等多种来自纵向平面与横向平面随机不确定因素会导致箔条个体自主飞行时，其飞行姿态各不一样、杂乱无章。随着箔条个体进一步飘落飞行，所受空气动力特性差别很大，各箔条个体飞行速度不断交错变化，在空中形成上下、左右、前后分布不均的一个立体空间，取名箔条云。随着飘落飞行时间的延长，该箔条云经历上升到下降，覆盖范围不断扩大，待到各个箔条个体飘落飞行速度趋于很小时，若干箔条个体覆盖范围也就逐渐趋于稳定而形成长长的形状很不规则的箔条云漂浮空中，达到干扰对方雷达等识别系统突防效

4、果[1]。如何快速有效地研究确定上述若干箔条、箔条云在任意时刻的整体运动性能及飞行轨迹，实现对箔条及箔条云的实时跟踪，确定不同时刻箔条个体空间、姿态、速度等分布？成为工业应用部门较为关心的问题。由于该类问题涉及从高高度的稀薄气体自由分子流区到低高度连续流区，跨越飞行热力学流动状态互不相同大气层内外的空气动力学问题和箔条个体飘落飞行在任意时刻的弹道飞行力学问题，而且更为困难的是涉及若干箔条个体飞行姿态随机不确定非线性动力学问题和箔条云任意时刻覆盖范围以及如何预测、评估特定条件下所生成箔条云性能、质量和对机动飞行器的包络效果等问题，属跨学科交叉性研究课题。*国家自然科学基金项目(1

5、0321002)资助本文根据文章作者曾经开展计算空气动力学、弹道飞行力学、随机动力学等学科研究基础[2~5]与已有文献研究现状[1,6~8]和发展趋势，拟开展起关于箔条及箔条云飘落飞行运动问题的研究摸索，旨在尝试建立一套用于解决机动飞行器上升段抛撒若干箔条所形成箔条云经历上升到下降，从近连续过渡流区到高空稀薄气体自由分子流区以及再入过渡流区、连续流区，整体气动特性及任意时刻箔条个体空间密度分布、姿态速度等运动性能实时跟踪模拟仿真方法及应用研究软件。以包括两种典型长度、两种截面形状的箔条外形所形成的箔条云团为研究对象，通过发展随机动力学理论和概率统计分布原理研究确定任意时刻杂乱无

6、章的箔条云中单个箔条个体飞行姿态分布；发展弹道飞行力学数值方法开展箔条个体空间位置速度计算推进，研究建立从稀薄流到连续流箔条个体气动特性一体化计算方法，综合应用计算数学数值实现技术进行箔条个体分布密度统计、气动特性分析、箔条云整体性能及飞行轨迹、覆盖范围计算研究，由此实现对箔条及箔条云的实时跟踪模拟分析。1利用均匀分布随机统计理论对若干箔条个体进行有限分组统计模拟图1.机动飞行器抛撒箔条个体相互间绕流干扰示意图数以万亿计的若干微型箔条个体从机动飞行器上升段抛撒施放，受到外流场气动、外界随机因素及箔条个体相互碰撞干扰等多种不确定因素，导致箔条个体离开飞行器自主飞行时，其飞行姿态各

7、不一样、杂乱无章[6]，图1为从机动飞行器抛撒出的箔条个体相互间存在绕流干扰的示意图。因此，不可能按照传统Lagrange（拉格朗日）质点跟踪方法对箔条个体一一进行飞行姿态跟踪、空气动力学特性计算确定和关于飞行速度、空间位置的弹道飞行力学计算研究，必须而且只有使用随机模拟方法进行箔条个体统计模拟。为了对若干箔条及箔条云整体运动性能实时跟踪模拟，需要首先确定初始施放的若干箔条个体向四面八方抛撒的速度及有限的姿态小组，为此将所有箔条个体在初始施放位置按球面立体方位角经度和纬度范围分别以均匀间隔离