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发信人: yufei (飞飞), 信区: AerospaceScience
标  题: 风切变与运载火箭设计
发信站: 紫丁香 (Sun Sep  6 15:48:37 1998), 转信

                             风切变与运载火箭设计

                               赵人濂陈振官付维贤
                      (中国运载火箭技术研究院*北京9200信箱
                                10分箱10号*100076)

摘  要   本文介绍包括风切变在内的高空风场的统计分析方法以及它在运
载火箭设计中的应用。其中综合矢量风剖面是运载火箭设计通用的规范性方
法。风场的应用涉及运载火箭姿态控制系统设计、制导精度分析和载荷分析
计算等多方面的工作。这里简述其应用要点。

主题词  火箭设计  风场

　

                        WIND SHEAR AND ROCKET DESIGN

                     Zhao Renlian Chen Zhenguan Fu Weixian
          (China Academy of Launch Vehicle Technology 9200-10-10?Be
                                   ijing?100076)

Abstract  This paper introduce the statistical method of aloft wind
including wind shear
and the usage of carrier rocket design.The synthetical wind vector
profile is standardizatial
method in rocket design.Attitude control system design,guidance system
accuracy analysis
and load calculation of rocket have close relationship with wind
field.Here is brief introduction.

Key words  Rocket design  Wind field

1  引言

　　运载火箭必须穿过大气层飞行。风则是自然环境中的一个重要环境因素。
在运载火箭的姿态控制系统设计、制导精度分析和载荷分析中,最大风切变的
作用尤其重要。如何考虑风的各种特性,提供一个风场的时空分布模型作为运
载火箭的设计依据是非常必要的。

　　一般来说,运载火箭设计是一种最佳配合设计,也是一种危险条件设计。
前者落实在优化设计上,而后者则表现在概率设计上。危险条件的出现有一定
的概率,风要素引入运载火箭设计就具有一定的出现概率。由于风的时-空变
化很大,因此在确定危险条件时,必须考虑风的特点和时-空分布状况。

　　风是四维空间的自然现象,在运载火箭设计中既要考虑风切变也要考虑最
大风;既要考虑它们的空间变化也要考虑其时间变化。

　　风的变化由地球自转、地形特性以及到达地球大气和地面的有效太阳能
所引起,并受这些因素的控制。这一能量在大气层中建立了环流的重波波型和
非对称性。因而,控制了大尺度的全球环流。由于日-地轨道特性,出现了风的
季节变化;而海-陆影响、地理位置、地形、海拔高度、有效水、植被以及其
它自然的和人工构成的各类因素都能在一定程度上控制风的强弱。

　　风的空间变化表现在地域和高度上,从地域上说,由于大尺度全球环流的
控制,在中纬度高空出现了速度很大的强风带,称为“急流”。急流自西而东运
行,宽度可跨5-10个纬度。在我国,急流又具有独特的流动规律,即冬季在青
藏高原两侧上空,出现两支急流,形成“北支急流”和“南支急流”并行的态势。
两支急流以越来越快的速度向东流动,南支急流比北支急流更快一些。这一特
点对运载火箭的设计具有重要意义。由于我国三个卫星发射中心大都处于急
流控制之下,因此必须对这些发射中心的高空风进行合理的统计分析,并用于
运载火箭的设计之中。

　　风随高度的变化也是有规律的,即在对流层顶(9-12km)以下,风速随高度
而增大,在对流层顶达到最大,而后随高度减小,在20-25km达到最小,再向
上风速又逐渐增大。风随高度的这种变化就是所谓“风切变”。严格的定义,
风切变是两个高度上的风速差。这里考虑风是水平运动的,在不同的高度上具
有不同的速度,速度的变化就出现了剪切,因此,这种变化称为风切变或风剪。
风切变也随高度变化,最大风切变出现在大风的高度附近。

　　风的时间变化,具有季节变化和月际变化。这种变化表现在冬季西风急流
强劲,而夏季潺弱甚至变为东风,春秋季介于其间。但是由于运载火箭发射时
间的不确定性,设计既考虑冬季的强大西风,也考虑各月间的差异以便进行攻
角补偿。

　　对于危险条件设计,风的这些分布规律的统计特性需要一个模型来描述,
这就是综合矢量风剖面。综合矢量风剖面考虑风分量及切变分量的各种相关,
把最大风矢量及相应的最大风切变随高度的变化综合起来,作为设计的依据。
利用它进行设计并不意味着运载火箭在一次实际飞行中能遇到这种风场分布
的全体,而仅仅是在某一个或几个高度遇到有大风干扰。所以,计算综合矢量
风剖面的意义就在于,根据数理统计理论利用实测风数据设计出一种适宜于运
载火箭设计所需要的风场分布。它既是实测数据的反映,又不是在一次实测中
能完全复现的结果;它既能保证危险条件设计,又不是无限保守的约束条件。

2   高空风场的统计分析

　　对于运载火箭设计,考虑风的地域和高度变化,需对卫星发射中心的高空
风进行多年按月的逐日采样。考虑危险条件设计则需要确定最大风和风切变
的出现概率,而考虑到发射方位的变化尚需提供确切的风向。

　　目前运载火箭设计使用的综合矢量风剖面,顾名思义,这是一种矢量风,
即包含风速和风向;它是一个剖面,即包含了随高度的变化,而且具有综合多
年变化和出现概率的意义。世界各国的运载火箭设计均采用这种剖面,只不过
它们使用的是根据自己的发射中心高空风数据统计分析出来的剖面而已。我
国根据西昌、酒泉和太原卫星发射中心高空风数据制作出来的综合矢量风剖
面早已用于相应的运载火箭设计之中。

　理论上综合矢量风剖面首先认为风是二维正态分布,因此风向风速两个要
素也可换算成纬向分量和经向分量。由此可求得一定的出现概率下的最大风

P｛Ｗ≤Ｗ｝＝１－Ａ｛ｅ－１)/(２Ｗ２S＋Ｂ〔１－Φ（ＷS）〕｝)/(ｇ（α）

其中  ｇ（α）为风向的概率密度

      A,B为与风分量的统计参数相关的系数

      ＷS为与最大风相关的量

      Φ（ＷS)为其概率
因此,在各个高度上都可得到同一概率的最大风。然而,在运载火箭的一次飞行
中不可能同时遇到同一出现概率的最大风。这就需要选择几个高度,这些高度
既是最大风出现的高度,也是运载火箭飞行速度头达到最大的高度,它们又构
成了一种危险条件设计。事实上速度头最大的高度一般与最大风和最大风切
变出现的高度重合,这就增大了运载火箭设计难度,但也最大限度地保证了运
载火箭飞行的安全。

　　假定选择10km高度出现了最大风,那么其它高度上的风就都是在10km
高度最大风已出现条件下的相关风速,称为最小风。而该相关风速是在最大风
经过强切变后得到的。此强切变称为条件切变。切变的纬向和经向分量同样
具有相应的统计参数。于是在10km上下的各个高度经切变后得到的最小风为
一族概率圆,其方程为

                ［X-E(U｜U*)］２+［Y-E(V｜V*)］２=λ２cσ２ω′

其中  E(U｜U*),E(V｜V*)是概率圆心,即最小风数学期望
λcσω′为概率圆半径,即条件切变的标准偏差组合
λc为概率系数



图1 风随高度变化的空间图形由此可以得到一个由最大风及强切变构成的风
随高度变化的空间模型(如图1)。

　　它是一个对顶锥,特点为10km高度的最大风,锥体是一族二维概率圆。在
锥体表面上通过对顶锥的任何轨迹都是风随高度的变化。运载火箭就按其最
严重的风切变进行设计。这就是姿态控制系统和飞行载荷分析的基础;而连接
一系列概率圆圆心并通过对顶锥的曲线则可用于制导精度分析。

　　当然,设计时绝不仅仅取10km高度的对顶锥,还按其严重程度取其它高
度的对顶锥进行比较设计。因此,综合矢量风剖面是以各高度一定出现概率的
最大风为包络,不同高度各具特点的对顶锥得到的风速变化综合出来的一个剖
面图(图2)。

图2 综合矢量风剖面

3  风在运载火箭设计中的应用

　　风对运载火箭飞行的影响主要是在风的作用下产生较大的风攻角,即

                                   α=αwp+αwq
                                αwp=tg-1(Wp)/(V)
                                αwq=tg-1(Wq)/(V)

其中  Wp为最小风
Wq为风切变
V为运载火箭飞行速度

风攻角造成了很大的气动干扰力和干扰力矩,一方面对姿态控制系统稳定和
调整姿态及制导系统控制精度都产生一定影响;另一方面,气动力在运载火箭
上产生了很大的载荷,这是火箭结构设计的重要依据。

　　为改善风干扰,火箭飞行攻角必须予以控制,保证它在一定的小角度范围
内。目前更有效的方法是利用飞行轨道来予置攻角,当运载火箭飞行遇到大风
将产生大攻角时,由于飞行轨道中已予置了相应的负攻角,则该攻角与之相抵,
可使攻角大大减小或接近于零。使运载火箭结构处于很小的受力状态。做到
这一点的先提条件就是根据卫星发射中心高空风按月进行的多年统计,发射前
数小时测量发射中心的高空风作检验修正,并装订到飞行轨道中去。这种设计
充分考虑了风的时-空四维变化,可以把风干扰减至最小,以保证运载火箭处在
良好的环境下飞行。

　为了实现火箭小攻角飞行,必须对发射中心的高空风进行精确的测量统计,
提高测风技术,改进测风手段,加强对气象的研究,精确作出风速风向的预报,
为火箭设计及发射提供更正确合理的高空风条件。这是一项十分重要的基础
工作。需要设计和试验单位充分合作完成。

本文于1995年9月20日收到

                                     参考文献

1  Smith O E Vector With and Vector Wind Shear Models O to 27km Altitude
for Cape
Kennedy Florida and Vand enbarg AFB.California,NASA TMX-73319,Jaly,1976
--

    有一天我会，插上翅膀飞，
      有一天我会，睁开双眼看，
        有一天我会，看到我的梦中有谁，
          有一天我会，飞过世界的背。

※ 来源:．紫丁香 bbs.hit.edu.cn．[FROM: hs2.hit.edu.cn]

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