多点释放载荷的平流层气象探测火箭弹道规划*

李执山，雷 明，叶 雷，罗 珊

(湖北航天飞行器研究所，武汉 430040)

0 引言

受限于现有空间探测手段，对平流层及以下高度范围内大气进行有效探测手段较少，气象探测火箭是对从对流层到中间层大气环境参数进行直接探测的有效手段之一。目前，国内外气象探测火箭一般搭载单枚探空仪，探空仪位于探测火箭箭头位置与火箭共轴布置，通常是在火箭飞行至弹道顶点后，通过活塞轴向做功方式将探空仪从火箭中分离出来，探空仪引导伞及减速伞张开并开始实施探测「1」。为解决现有探测火箭装载有效载荷数量较少的问题，文中提出了一种搭载6枚探空仪的探测火箭，通过开展火箭飞行弹道规划，实现对平流层大气内风温压湿多点气象参数实时探测。

1 探测火箭组成及工作流程

探测火箭按舱段分为头锥舱、载荷舱、仪器舱、发动机舱、尾翼、尾段等。载荷舱用于搭载6枚下投式探空仪(含减速系统)组成的探测载荷系统，通过在平流层顶(>海拔55 km)以上不同位置分组2次沿径向释放探空仪，探空仪释放后与减速系统轴向分离并减速，实现对平流层顶以下不同位置多点同时探测，提高了单次飞行试验获取样本的数量，可实现获取数据种类多元化，便于开展探测数据的交叉验证工作，使火箭探测效能显著提升。

图1 探测火箭总体布局示意图

探测火箭采用倾斜导轨发射方式，发动机点火后火箭沿导轨滑行，离轨后沿抛物线弹道飞行，火箭飞过顶点后，在下降段分2次释放共6枚下投式探空仪[2-3]。典型飞行流程如下：

1)0 s时刻发动机点火，探测火箭沿发射导轨滑行；

2)t1时刻探测火箭离轨，沿抛物线弹道无控飞行；

3)t2时刻，探测火箭发动机耗尽关机；

4)t3时刻，探测火箭达到弹道顶点，载荷舱开舱，为后续下投式探空仪释放提供通道；

5)探测火箭继续飞行至t4时刻释放第一组3枚探空仪；

6)火箭继续飞行至t5时刻释放第二组3枚探空仪。

图2 探测火箭典型飞行程序

2 探测火箭飞行弹道模型

根据探测火箭飞行过程，弹道计算采用六自由度标准模型[4-5]；地球模型为椭球模型，考虑地球旋转带来的影响，大气模型为国家标准大气。

在发射点地面坐标系上建立的探测火箭质心运动方程为：

(1)

探测火箭绕自身质心运动方程为：

(2)

式中:ωx1、ωy1、ωz1为绕3个箭轴转动角速度；φ为俯仰角；ψ为偏航角；γ为滚动角；Mx1、My1、Mz1为3个箭体轴气动阻尼力矩，Mx2、My2、Mz2为3个箭体轴方向气动力矩，Jx1、Jy1、Jz1为绕3个箭体轴的转动惯量。

火箭飞行的合速度为：

(3)

飞行攻角及侧滑角为：

(4)

(5)

飞行弹道倾角及弹道偏角为：

(6)

(7)

3 探测火箭标准弹道设计

探测火箭标准弹道设计中，充分考虑探空仪释放点高度、速度及攻角等参数，需兼顾偏差情况下弹道参数仍能够满足设计要求。探测火箭飞行弹道及发射仰角选择原则如下：

1)火箭各种飞行条件下第一释放点高度大于60 km；

2)确保探空仪开伞点具有足够的初始动压，按经验值取不小于6.0 Pa；

3)确保探空仪释放点高度至60 km高度具有较大的剩余开伞高度(或时间)，便于减速系统安全可靠开伞，满足下降至60 km高度时探空仪速度不大于150 m/s要求；

4)第一开伞点及第二开伞点之间具有较长的时间间隔(或距离)，增加探空仪的探测分布范围；

5)在高空风及高空稀薄空气条件下，探空仪释放点具有较小的攻角，增加减速系统开伞时迎风面积；

6)在满足要求条件下，尽量降低火箭发射仰角，增加火箭发射安全性,提高火箭风修正裕度。

80°～86°仰角条件下探空仪释放区间内弹道特征参数见表1，火箭弹道倾角、合速度及攻角随时间变化关系见图3～图5，飞行高度随射程变化关系见图6。

表1 标准状态探空仪下降段释放区间内弹道特征参数

图3 不同仰角条件下弹道倾角随时间变化关系

图4 不同仰角条件下飞行合速度随时间变化关系

图5 不同仰角条件下飞行攻角随时间变化关系

图6 不同仰角条件下高度随射程变化关系

表2 典型弹道特征点参数

通过对标准状态不同仰角条件下释放点特征参数进行计算表明，选定发射仰角为83°时，下降段第一个动压6 Pa位置点至60 km海拔高度区间内具有25.0 s左右飞行时间，为两组探空仪开伞减速预留充分时间，同时可确保探空仪释放时牵连的攻角较小；火箭最大飞行高度接近64.8 km，在偏差条件下确保释放点具有一定的高度裕量；如果在继续增加发射角度，可提高火箭最大飞行高度，但是火箭风修正角度裕度会降低，降低了发射安全性。综上，选择以火箭83.0°飞行仰角弹道作为标准弹道，典型弹道特征点参数见表2。

4 结论

文中对可释放多枚探空仪的平流层气象探测火箭飞行弹道进行了规划，探测火箭分两组释放6枚探空仪，通过对不同发射仰角下探空仪释放点参数进行对比，在现有火箭总体设计条件下，选择83°发射仰角规划标准飞行弹道，可满足探空仪释放高度、姿态及动压等综合约束要求，具备工程应用的条件。