3-52  再入飞行状态模拟试验平台设计

陈强洪  王星刚  彭  刚

再入状态模拟主要是指对再入飞行时的高度、速度、倾角、过载、动压等几个弹道参数进行模拟。对于高度模拟，本研究认为可以通过常规发动机技术将试验平台运载到指定高度，因此可完全模拟。对于倾角模拟，本研究认为可通过精确的弹道设计技术解决到达某高度的指定弹道倾角，因此也可完全模拟。对于速度模拟，由于常规发动机的能力限制和试验平台设计的物理特性，本研究认为基本无法实现完全模拟。定义了一个速度模拟度c_v的参数用于动压、过载模拟分析c_v = v_M / v_T。根据动压的定义可知，同样基本无法完全模拟动压特性，其动压模拟度c_q = q_M /q_T = c_v² (r_HM /r_HT)。因此，当高度完全模拟时，动压模拟度为速度模拟度的平方。如果要完全模拟动压，则可通过调整不同的模拟高度(对应调整大气密度)来实现。根据过载系数的概念，过载模拟需要综合考虑外部飞行环境和试验平台自身特性。所谓外部飞行环境指动压和速度环境，自身特性指气动外形、质量等特性。过载模拟应该满足的等效关系为(C_xTS_mT / m_T )r_Tv_T² = (C_xMS_mM / m_M )r_M v_M²，如果高度完全模拟，则关系式中与密度项无关；如果气动外形相似，则可基本忽略阻力系数的影响；如气动外形相似，而且动压能够模拟，则试验平台的设计原则将非常简单，S_mT /m_T = S_mM /m_M 。各式中，v为速度，q为动压，r为大气密度，m为质量，C_x为轴向阻力系数，S_m为飞行器的参考面积，下标M指该参数为模拟参数，下标T指该参数为需要模拟的真实参数，下标H指该参数为在模拟高度处的参数。

可以看出，只有过载模拟时才需要对试验平台进行精心设计，而速度模拟和动压模拟都是如何采取有效措施增加速度模拟度。值得指出的是，上述模拟方法仅限于某时刻的等效模拟，如果要对一段历程进行模拟，则其困难是难以克服的。

通过对模拟方法的分析，建立了试验平台设计的基线数据(试验平台特性参数、初始参数、发动机设计参数等)。通过平台设计所需要的理论模型收集、整理，给出了一套用于针对不同特性模拟目的的方法。针对特定的模拟目标，通过遗传算法的引进，优化出满足模拟要求的基线数据。这些基线数据可作为试验平台相关设计的原始指标参数开展后续工作。在给出的理论模型基础上，结合计算机技术开发了相应的分析程序。

通过算例分析，可设计一种试验弹初始质量不到360 kg，试验弹全长约2.6 m，弹径0.4 m，用飞机在10 km高空进行发射时，在总射程不到10 km的情况下，可满足在指定模拟高度5 km处的速度达到模拟速度1.5 km/s，弹道倾角也接近模拟弹道倾角-30°的要求。表明按此设计方案进行模拟存在可行性。分析软件还可同时计算得出其他相关的数据。

通过本研究还发现了其他一些问题，如气动热设计与试验平台材料结构设计之间的关系问题，模拟参数精度匹配问题等，需要进一步开展工作。