1 引言

随着人类在大气层外航天活动的逐渐增多，航天器离轨陨落再入问题逐渐受到关注和重视。这类问题属于典型的非常规再入问题[1-2]。 所谓非常规再入问题即指各种人造飞行物如失效卫星、轨道舱、空间站、重复使用航天器(故障情况)、多级运载火箭等在无控飞行或受控变轨后轨道衰降并再入地球大气层的过程。 这些再入陨落的航天器往往不是用于在大气层中飞行的，或者处于非设计飞行状态，没有专门的气动布局外形及热防护措施。 航天器超高速飞行进入大气层后，在强烈气动力/热作用下，其原始构型整器会出现解体，金属材料软化熔融，复合材料热解/烧蚀以及期间或伴随燃烧或爆炸等剧烈反应现象。对航天器再入陨落解体过程的把握和定性理解是进行建模及分析预报的前提。

国外关于航天器再入陨落解体分析预测及地面风险评估的研究已有20 余年，建立了相对成熟的软件系统[3-5]，比如美国NASA 的DAS 和ORSAT[6-8]等，欧空局(ESA)的DRAMMA、SESAM 和SCARAB 等[9-11]。 国内开发的有陨落预测软件如DRAPS，受众小、应用力度不够[12-14]。

面向物体法和面向航天器法是由德国学者Lips 和Fritsche 提出的关于航天器再入陨落分析的分类方法[3]。 面向物体法的基本思路是将复杂航天器结构简化为简单形状物体，比如圆球、圆柱、箱体等，建模简单并且计算速度快，适宜于大量碎片再入的快速预测，DAS 和ORSAT 均属于这一类方法。 面向航天器法则尽可能模拟真实的航天器外形，采用基于表面网格的飞行器和碎片模型，理论上讲具有更高的预测精度，但建模较复杂并需要较长的计算时间，SCARAB 是目前唯一属于面向航天器法的软件。

唐小伟等[15-16]开展了再入陨落相关工程实例的应用分析，包括对多级运载火箭发动机残骸高速坠入大气层、失效小卫星陨落再入损毁情况及某卫星使用的放射性同位素热源组件再入进行了计算分析。 基于弹道-气动力-气动热的综合计算分析的技术途径，针对LTG(类似天舟、天宫等)轨道舱再入陨落解体过程进行了分析预报。经验表明，航天器再入陨落解体过程中各种现象具有很大随机性，从解决工程问题的角度，复杂的航天器精细建模不一定能够反映系统的不确定性。 航天器再入陨落解体过程的分析预报，从技术途径概述就是要得出气动力/热和航天器物理(解体/运动)化学(热解/烧蚀)状态交互作用的过程。 从技术逻辑分析，航天器解体及其导致的物形变化是气动力/热分析的基础；对航天器及其解体后对象气动力/热的准确分析，是研究对象飞行运动、残骸存活性、残骸落区及地面风险评估的关键。

为此，本文首先针对航天器再入陨落解体分析预报的研究对象，综合以往工作经验归纳提炼出一种新型简洁的航天器再入陨落解体模型——三层级模型；然后针对航天器再入陨落解体分析预报的技术途径，提出基于条件边界的参数统计方法；最后通过相关软件研制和一例大型航天器再入陨落解体过程分析预报表明文章提出的模型和方法的适用性。

2 再入陨落解体过程技术简析

如前所述，航天器再入陨落解体过程分析是典型的非常规再入问题[1-2]，这类航天器再入过程中的主要技术问题包括飞行运动、气动力、气动热和结构解体4 个方面。

对航天器再入陨落过程进行分析时，对飞行运动的把握是贯穿全过程的主要线索，也是分析预报建模关注的主要内容之一。 在航天器整器解体前，对其进行精确的气动力/热及运动分析具有重大意义，有助于对整器解体时刻的飞行高度、速度等参数进行准确推断；由于陨落解体后的航天器部件或碎片外形一般都比较复杂，质量特性及外形仍然处于持续变化之中，导致飞行运动姿态及相关的气动力/热作用存在极大不确定性。 对于此类问题，要获得陨落体部件或碎片的姿态变化历程是困难的，且不具备充分的工程意义。

气动力问题是陨落体再入/进入大气层时面临的最重要和最复杂的技术问题之一。 力是运动变化的直接原因；陨落体受到的重力相对较为确定，因而气动力的准确分析是陨落体运动动力学评估的基础。 陨落体再入飞行过程中，穿越了自由分子流区域(高度100～120 km 以上高空)及过渡流区域(约高度70～120 km 区间)，其部分残骸碎片可能会穿过连续流区域(约高度70 km 以下)直至地球表面。 陨落体飞行过程中涉及到气动力分析，以及跨流域、复杂外形、气动物理等方面的多种手段。 对这些气动力相关科学问题的探索，可牵引发展以求解Boltzmann 方程可计算建模为核心的跨流域气体动理论统一算法基础研究、稀薄气体动力学DSMC 数值模拟研究、过渡流区域N-S/DSMC 耦合算法研究及考虑热化学非平衡效应的近连续流区、连续流区N-S 方程数值模拟研究。

文章来源：《弹道学报》 网址: http://www.tdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0205/336.html