徐松林 覃東升
(91550部隊(duì)91分隊(duì) 大連 116023)
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海洋風(fēng)場(chǎng)建模及其仿真應(yīng)用分析*
徐松林 覃東升
(91550部隊(duì)91分隊(duì) 大連 116023)
海洋風(fēng)要素是海洋學(xué)和氣象學(xué)的基本參數(shù),也是影響飛行器和航行器航行性能的重要因素之一。簡(jiǎn)要概述了海洋風(fēng)場(chǎng)的基本概念、風(fēng)速的高度和時(shí)距特性、陣風(fēng)譜和長(zhǎng)期分布以及我國(guó)海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變換特征,闡述了海洋風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)定常風(fēng)、風(fēng)切變、急流、大氣紊流和隨機(jī)風(fēng)的典型數(shù)學(xué)模型以及風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬方法,著重分析了海洋風(fēng)場(chǎng)建模仿真在飛行控制、飛行性能、落點(diǎn)精度等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。
海洋風(fēng)場(chǎng); 數(shù)學(xué)模型; 仿真分析; 應(yīng)用
Class Number TJ012
海洋力學(xué)環(huán)境是指某一海域風(fēng)、浪、流分布情況,這些水、氣流動(dòng)會(huì)作用在航行(飛行)器上產(chǎn)生擾動(dòng)力,是評(píng)估航行(飛行)器航行性能的重要依據(jù)。海洋風(fēng)要素是海洋學(xué)和氣象學(xué)的基本參數(shù),在航行(飛行)器航行過(guò)程中,海洋風(fēng)也是影響其航行精度的重要因素之一。大氣中存在的風(fēng)形態(tài)各異、形式多樣,它們隨地理位置、季節(jié)、時(shí)間和高度不斷變化,因而建立準(zhǔn)確的風(fēng)場(chǎng)數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜[1]。
目前,對(duì)復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)的模擬主要涉及風(fēng)速隨高度的變化特征以及風(fēng)速的脈動(dòng)成分,在實(shí)際建模中,通??紤]風(fēng)速隨高度的變化及其湍流成分。本文擬在全面檢索國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,獲得海洋風(fēng)場(chǎng)環(huán)境模型及其建模仿真應(yīng)用的最新進(jìn)展,期望在現(xiàn)有理論與技術(shù)水平下,為飛行器和航行器設(shè)計(jì)、飛行和航行試驗(yàn)、仿真試驗(yàn)等方面專業(yè)人員提供一些新的思路和參考。
2.1 基本概念
風(fēng)是大氣壓力在水平方向上分布的不均勻性而產(chǎn)生的空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)的運(yùn)動(dòng)。風(fēng)向指氣流的來(lái)向,常按16方位記錄。GBT19201-2006《熱帶氣旋等級(jí)》按風(fēng)速大小將風(fēng)劃分為0級(jí)~17級(jí)的蒲福風(fēng)力等級(jí),把熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)六個(gè)等級(jí)。
風(fēng)場(chǎng)按其高度分為地面風(fēng)場(chǎng)和飛行風(fēng)場(chǎng)。地面風(fēng)場(chǎng)通常指在高度以下的風(fēng)場(chǎng);飛行風(fēng)場(chǎng)是指高度以上出現(xiàn)的風(fēng)場(chǎng)。從工程實(shí)用性出發(fā),風(fēng)場(chǎng)包括常值風(fēng)、梯度風(fēng)切變、陣風(fēng)、(1-cos)型離散突風(fēng)、微下沖氣流以及大氣紊流。
2.2 風(fēng)速隨高度和時(shí)距的變化
自然界的風(fēng)在空間和時(shí)間上的分布是經(jīng)常變化的,氣象上代表性的風(fēng)速值是在距海面10m高度處測(cè)得的10min內(nèi)的平均值,而取10min內(nèi)出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)向作為代表性的風(fēng)向。實(shí)際上在距海面較近處的風(fēng)速因海面的摩擦及波浪的影響,其風(fēng)速值較小。風(fēng)速受地面(海面)高度的影響,國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為在距地面100m高的范圍內(nèi)可用對(duì)數(shù)公式表示:
式中,Uz、Uzr為在高度z、zr處的風(fēng)速值;z0為地面粗糙度系數(shù),陸地和海面上分別取0.03m和0.003m。
挪威船級(jí)社[2]擬制的環(huán)境條件規(guī)定中對(duì)于風(fēng)速隨高度和時(shí)距的變化可用下式表示:
式中,z為距靜止海面的高度(m);zr為參準(zhǔn)高度(10m);t為平均時(shí)距(min);tr為參準(zhǔn)時(shí)距(10min);U(z,t)為高度z處、時(shí)距t內(nèi)平均風(fēng)速;U(zr,tr)為參準(zhǔn)高度zr、參準(zhǔn)時(shí)間tr內(nèi)平均風(fēng)速。
Finardi[3]校驗(yàn)了由質(zhì)量守恒模型和非靜力氣象模型重構(gòu)風(fēng)場(chǎng)特性的可行性。質(zhì)量守恒模型用于計(jì)算風(fēng)速的空間分布及其隨高度的變化,非靜力流動(dòng)模型用于描述由氣象信息導(dǎo)致的局部流動(dòng)。
2.3 陣風(fēng)譜和長(zhǎng)期分布
對(duì)于短時(shí)間的陣風(fēng),工程上還把它當(dāng)作在定常風(fēng)基礎(chǔ)上隨機(jī)變化的脈動(dòng)分量來(lái)處理,這脈動(dòng)部分的能量分布可以用陣風(fēng)譜來(lái)表示,以下是Harris陣風(fēng)譜公式:
風(fēng)速值U(z,t)的長(zhǎng)期分布一般可用威布爾(Weibull)分布表示:
式中:Pr(U)為U的累積概率,U=U(z,t);U0為威布爾分布的尺度參數(shù);c為威布爾分布的斜率參數(shù)。
由上述長(zhǎng)期分布可以推算出在任一指定的限期T內(nèi)最可能遭受的風(fēng)速極端值:
式中Ta是這樣一個(gè)時(shí)間段,在該段內(nèi)風(fēng)速U=U(z,t)可以認(rèn)為是穩(wěn)定的,它通??梢匀?h。
2.4 我國(guó)海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變換特征
趙喜喜等[4]針對(duì)中國(guó)海海區(qū)連續(xù)13年的ERS-1、ERS-2和QuikSCAT衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料,采用插值平均處理和矢量經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(Vector EOF)分解,獲得了中國(guó)海海面距平風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空特性和兩個(gè)主要經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)。
中國(guó)海海面風(fēng)受東亞季風(fēng)環(huán)流控制,冬季的偏北季風(fēng)比夏季的偏南季風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),風(fēng)力也強(qiáng);夏季風(fēng)向冬季風(fēng)的轉(zhuǎn)換比冬季風(fēng)向夏季風(fēng)的轉(zhuǎn)換更快。中國(guó)海海面距平風(fēng)場(chǎng)VEOF第1模態(tài)為典型的冬-夏季風(fēng)振蕩型,反映了該海區(qū)風(fēng)場(chǎng)變異的主要特征;第2模態(tài)為春-秋振蕩型,其空間結(jié)構(gòu)顯示12°N附近以南與以北海區(qū)呈反相位分布,反映了冬季風(fēng)與夏季風(fēng)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)渡時(shí)期的風(fēng)場(chǎng)特征。
3.1 準(zhǔn)定常風(fēng)模型
在氣象學(xué)中,常以固定高度上2min內(nèi)測(cè)得的風(fēng)速平均值來(lái)表示風(fēng)速,即準(zhǔn)定常風(fēng)。在外彈道計(jì)算中,一般采用風(fēng)廓線來(lái)描述風(fēng)場(chǎng)的特性。在一定地面范圍內(nèi),準(zhǔn)定常風(fēng)模型可采用直線模型,即wzd=ky+b,式中k為風(fēng)速隨高度增加的比例系數(shù),b為地面風(fēng)速。在飛行風(fēng)范圍內(nèi),平均風(fēng)是指沿高度方向上的平均值:
3.2 風(fēng)切變模型
風(fēng)切變一般有四種形式:順風(fēng)切變、逆風(fēng)切變、側(cè)風(fēng)切變和下沖氣流切變。風(fēng)切變分為風(fēng)的垂直切變和水平切變。風(fēng)的垂直切變?yōu)轱L(fēng)矢量沿垂直方向一定距離上的改變量,風(fēng)的水平切變?yōu)轱L(fēng)矢量沿水平方向上一定距離的改變量。風(fēng)的水平切變通常比垂直切變小得多,因此對(duì)飛行器影響較大的是垂直切變。風(fēng)垂直切變強(qiáng)度不僅與高度、緯度、季節(jié)有關(guān),還與距離和風(fēng)速大小有關(guān)。實(shí)際計(jì)算時(shí),將風(fēng)切變dwqb/dt=(dwzd/dy)×(dy/dt)引入彈道。
3.3 陣風(fēng)模型
在短時(shí)間內(nèi),風(fēng)速(或在某特定方向上的風(fēng)速分量)相對(duì)于規(guī)定時(shí)段平均值的短暫的正、負(fù)偏差稱為陣風(fēng)。它是空氣的一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng),也是風(fēng)切變的一種特殊情況。目前,飛行器設(shè)計(jì)中采用的陣風(fēng)模型,按其剖面的幾何形狀,大體上有矩形、梯形、三角形、正弦形和“1-cos”等幾種類型[5]。如正弦形模型:wzf=wmsin(π×y/h),式中wm為陣風(fēng)的幅度,h為陣風(fēng)層的厚度;三角形模型如下:
全波長(zhǎng)(1-cos)型離散突風(fēng)的模型如下式所示,可廣泛應(yīng)用于飛行器飛行品質(zhì)評(píng)定、飛行器強(qiáng)度計(jì)算和飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。
3.4 急流模型
急流是位于對(duì)流層上部或平流層內(nèi)的一股強(qiáng)而窄的氣流,它的軸有一個(gè)或多個(gè)風(fēng)速極大值中心。風(fēng)速由急流軸向四周方向減小。急流軸的地理位置、高度、厚度和風(fēng)速,均有明顯的季節(jié)變化。急流的風(fēng)速就季節(jié)而言,冬季最強(qiáng),夏季最弱。通常,以常值分段函數(shù)近似急流中心的風(fēng)場(chǎng):
式中,y1~y2為急流區(qū)高度,厚度平均為3km~10km,w1為急流區(qū)風(fēng)速;w0、w2為其它常值風(fēng)速。
3.5 大氣紊流模型
參照美國(guó)飛機(jī)飛行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè),大氣紊流模型采用Dryden速度-時(shí)間頻譜模型(見(jiàn)下式)。它的頻譜形式簡(jiǎn)單,易于分解,因此能夠滿足實(shí)時(shí)仿真的要求。
式中,σ為紊流強(qiáng)度;L為紊流尺度;V為飛行器飛行速度;下標(biāo)u、v、w分別表示縱向、橫向和垂向。
3.6 隨機(jī)風(fēng)模型
隨機(jī)風(fēng)由于其大小變化不定,無(wú)法事先預(yù)知,其風(fēng)速的產(chǎn)生可由Matlab函數(shù)庫(kù)的隨機(jī)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Rand函數(shù)用于生成一個(gè)元素在0~1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。
3.7 風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬方法
隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬方法主要有諧波合成法和線性回歸濾波法。前者基于三角級(jí)數(shù)求和,主要有CAWS法和WAWS法;后者基于線性濾波技術(shù),主要有AR法、MA法和ARMA法。
自回歸(Auto Regressive,AR)模型是風(fēng)場(chǎng)模擬中應(yīng)用最為廣泛的模型,其模擬空間風(fēng)場(chǎng)主要有兩種方法:一種是通過(guò)標(biāo)量過(guò)程的AR模型生成滿足單點(diǎn)統(tǒng)計(jì)特性的一系列互不相關(guān)的隨機(jī)過(guò)程;另一種是直接利用向量過(guò)程聯(lián)合平穩(wěn)的AR模型生成空間相關(guān)性的風(fēng)場(chǎng)。
張文福等[6]通過(guò)算例表明,向量過(guò)程AR模型可以很好地綜合考慮較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程的空間和時(shí)間相關(guān)性,所模擬風(fēng)場(chǎng)的精確度總體來(lái)說(shuō)要高于標(biāo)量過(guò)程AR模型,但向量過(guò)程AR模型涉及較大矩陣的組裝問(wèn)題,所以算法上要比標(biāo)量過(guò)程AR模型繁瑣一些,其運(yùn)算時(shí)間也相應(yīng)增多。
最佳正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)法可以把隨機(jī)場(chǎng)分解成互相正交的模態(tài)組合形式,故POD法可用于模擬多個(gè)空間相關(guān)的風(fēng)荷載時(shí)程。傳統(tǒng)方法需對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)功率譜密度矩陣進(jìn)行Ch01esky分解,POD法則是進(jìn)行Schur分解,從而得到功率譜密度矩陣一系列的特征值和特征向量,取主要的幾階模態(tài)向量進(jìn)行運(yùn)算就可得到比較精確的結(jié)果。
潘峰等[7]利用雙POD模型和蒙特卡羅模擬法,詳細(xì)描述了空間相關(guān)三維風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬方法。計(jì)算結(jié)果表明模擬的順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎直向風(fēng)速的功率譜密度函數(shù)與理論值較為符合,并且具有較好的隨機(jī)性,證實(shí)了該方法是一種高效、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)三維風(fēng)場(chǎng)模擬方法。
4.1 對(duì)飛行控制的影響分析
為充分掌握風(fēng)場(chǎng)對(duì)超高速飛行試驗(yàn)的影響規(guī)律,范培蕾等[8]從超聲速飛行試驗(yàn)的飛行高度范圍出發(fā),在對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理的基礎(chǔ)上,對(duì)地面風(fēng)場(chǎng)、低/中空風(fēng)場(chǎng)、高空風(fēng)場(chǎng)建立了數(shù)學(xué)模型。通過(guò)隨機(jī)選取四組地面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和三組空中風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明風(fēng)場(chǎng)模型基本反映了實(shí)際大氣風(fēng)場(chǎng)的變化,風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本位于風(fēng)剖面(見(jiàn)圖1)附近或以內(nèi),載入隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)后能最大程度地模擬風(fēng)場(chǎng)變化規(guī)律。這對(duì)高超聲速飛行實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)修正計(jì)算、減小彈道參數(shù)散布、提高飛行試驗(yàn)成功率有著十分重要的研究意義。
圖1 離散模型的綜合風(fēng)剖面概念
程路等[9]針對(duì)飛行器機(jī)體/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的近空間飛行器,系統(tǒng)地進(jìn)行了飛行力學(xué)分析,并推導(dǎo)了變化風(fēng)場(chǎng)下近空間飛行器在高超聲速條件下的完整的六自由度12-狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,體現(xiàn)出變化風(fēng)場(chǎng)的影響和推力矢量的作用。仿真結(jié)果可用于未來(lái)高超聲速飛行器軌跡管理、飛行控制等問(wèn)題的概念設(shè)計(jì)和仿真研究。
Holley[10]為了設(shè)計(jì)與分析飛行器控制系統(tǒng),取隨高度變化的平均風(fēng)速疊加上馮卡門(mén)相關(guān)模型描述的湍流分量作為風(fēng)場(chǎng)模型。為解決四旋翼飛行器飛行受紊流風(fēng)場(chǎng)影響的問(wèn)題,何勇靈等[11]基于牛頓-歐拉方程建立了四旋翼飛行器在風(fēng)場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)模型,并根據(jù)Dryden模型生成了紊流風(fēng)場(chǎng),通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的方式研究了系統(tǒng)在紊流風(fēng)場(chǎng)作用下的動(dòng)態(tài)性能及控制器的控制性能,結(jié)果表明該模型能夠準(zhǔn)確反映風(fēng)場(chǎng)作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能;控制器在紊流風(fēng)場(chǎng)作用下控制性能良好,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。
苗景剛等[12]依據(jù)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下地速、風(fēng)速和空速之間的關(guān)系,推導(dǎo)了基于空速的動(dòng)力學(xué)模型。風(fēng)場(chǎng)模型選取水平風(fēng)模型,風(fēng)速分解為水平平均風(fēng)速和紊流分量。在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建了飛艇六自由度動(dòng)力學(xué)仿真模型,針對(duì)標(biāo)稱運(yùn)動(dòng)條件下的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)輸入進(jìn)行了平流層環(huán)境下的仿真計(jì)算,為飛艇的動(dòng)力學(xué)分析以及控制器設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
為研究巡航導(dǎo)彈對(duì)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性的影響,尹珊建等[13]描述了構(gòu)建仿真模型的思路和步驟,考慮了風(fēng)速對(duì)導(dǎo)彈飛行影響的動(dòng)力機(jī)制,推導(dǎo)出了變化風(fēng)場(chǎng)中巡航導(dǎo)彈飛行閉合的完備的運(yùn)動(dòng)方程組,為飛行仿真研究提供了非常好的動(dòng)力框架和數(shù)學(xué)物理模型。
4.2 對(duì)飛行性能的影響分析
為提高飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的仿真逼真度,汪沛等[14]對(duì)不能直接用于仿真模擬的Von Kaman大氣紊流模型進(jìn)行了有理化處理,該模型生成的紊流比以往的Dryden模型更好地符合了大氣數(shù)理統(tǒng)計(jì)特性,并解決了Von Kaman的仿真實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。該風(fēng)場(chǎng)模型可直接應(yīng)用于模擬器的空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程,從而使飛機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中的模擬更加真實(shí),對(duì)模擬器的研制具有實(shí)際意義。Von Kaman大氣紊流模型的能量頻譜函數(shù)如下式,式中L為紊流尺度;σ為紊流強(qiáng)度;Ω為空間頻率;a=1.339。
為研究變化風(fēng)場(chǎng)中無(wú)人機(jī)的飛行特性問(wèn)題,楊躍能等[15]基于大氣擾動(dòng)的Von Kaman模型,推導(dǎo)出了變化風(fēng)場(chǎng)中無(wú)人機(jī)的六自由度非線性動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。結(jié)果表明該模型能準(zhǔn)確地描述無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律;大氣擾動(dòng)下,各運(yùn)動(dòng)參數(shù)均產(chǎn)生不同幅度的振蕩;同一頻譜的擾動(dòng)在不同方向上對(duì)無(wú)人機(jī)的影響差異較大;地速航向角和空速航向角存在偏差,側(cè)向擾動(dòng)對(duì)航向的影響最為顯著。
為準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的飛行器參數(shù),紀(jì)勇等[16]研究了風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下飛行器參數(shù)計(jì)算平臺(tái)的建立方法及大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)其飛行軌跡的影響。在Simulink環(huán)境下進(jìn)行建模,通過(guò)對(duì)某滑翔飛行器進(jìn)行性能驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)以及對(duì)某無(wú)控飛行器進(jìn)行的風(fēng)場(chǎng)干擾仿真實(shí)驗(yàn),證明了平臺(tái)計(jì)算穩(wěn)定,并且可以精確地模擬風(fēng)場(chǎng)及計(jì)算風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的飛行器參數(shù)。仿真飛行軌跡與飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大射程相對(duì)偏差為0.44%,高度相對(duì)偏差為1.8%,航向相對(duì)偏差為4.7%,滿足QJ1997-90規(guī)定及工程應(yīng)用需求。
丁立平等[17]針對(duì)高空風(fēng)對(duì)飛機(jī)飛行的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,并詳細(xì)研究了高空風(fēng)對(duì)飛行的影響原理,給出了高空風(fēng)對(duì)飛行影響的算法。三個(gè)工程計(jì)算實(shí)例表明,在空中交通管制系統(tǒng)中加入高空風(fēng)的計(jì)算后,有助于提高飛行計(jì)劃的計(jì)算精度、飛行調(diào)配方案的準(zhǔn)確度以及高空風(fēng)對(duì)飛行成本的具體影響程度。
4.3 對(duì)落點(diǎn)精度的影響分析
王文龍等[18]運(yùn)用工程模擬的方法,建立了風(fēng)場(chǎng)條件下的六自由度彈箭運(yùn)動(dòng)模型,把風(fēng)場(chǎng)模型應(yīng)用在彈道再入段運(yùn)動(dòng)的仿真計(jì)算中。利用溫度網(wǎng)格化數(shù)據(jù),采用地轉(zhuǎn)風(fēng)公式計(jì)算了自由大氣層風(fēng)場(chǎng),考慮了脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)、急流和微下沖氣流對(duì)彈道的影響。仿真結(jié)果表明風(fēng)場(chǎng)對(duì)彈道的橫向和縱向落點(diǎn)偏差會(huì)產(chǎn)生影響,飛行器速度越大風(fēng)的影響越小,受靜穩(wěn)定力矩的影響,彈道參數(shù)會(huì)有周期性的波動(dòng);風(fēng)速會(huì)改變飛行器的速度,使其攻角和側(cè)滑角發(fā)生變化;風(fēng)梯度則會(huì)產(chǎn)生附加氣動(dòng)力矩影響飛行器的姿態(tài)。
為了解高空風(fēng)場(chǎng)對(duì)彈箭運(yùn)動(dòng)的影響,李臣明等[19]在p坐標(biāo)系中建立了100km高度內(nèi)自由大氣風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算模型,利用熱成風(fēng)公式對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析,計(jì)算風(fēng)場(chǎng)與探空實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的分布規(guī)律基本一致。以某型火箭為對(duì)象的對(duì)比計(jì)算結(jié)果表明,高空風(fēng)對(duì)落點(diǎn)偏差影響很大:在30°射角時(shí),遠(yuǎn)程火箭的射程偏差為1420.8m,橫向偏差為1111.7m,且偏差隨著射角的增大而增加。
為提高導(dǎo)彈射擊精度,李洪儒等[20]在建立風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)所引起干擾力的數(shù)學(xué)模型和仿真模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)仿真試驗(yàn)計(jì)算了風(fēng)引起的導(dǎo)彈落點(diǎn)偏差,得出了風(fēng)對(duì)彈道導(dǎo)彈射擊精度影響的結(jié)論,為進(jìn)一步提出誤差修正方法提供了依據(jù)。導(dǎo)彈落點(diǎn)的橫向偏差隨風(fēng)向夾角呈正弦分布,射程偏差隨風(fēng)向夾角呈余弦分布,再入段風(fēng)場(chǎng)所引起的導(dǎo)彈落點(diǎn)偏差最大為131.8m。
楊濤等[21]在分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)彈頭再入精度影響的基礎(chǔ)上,提出了通過(guò)修訂裝訂諸元的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)再入彈頭風(fēng)場(chǎng)的修正。運(yùn)用實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),擬合建立了風(fēng)場(chǎng)的修正模型,仿真驗(yàn)證了擬合風(fēng)場(chǎng)和實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)彈頭落點(diǎn)偏差影響的差異,證明擬合風(fēng)場(chǎng)和實(shí)際風(fēng)場(chǎng)是比較接近的。彈道仿真表明,風(fēng)場(chǎng)對(duì)再入彈頭的影響隨著導(dǎo)彈射程、射向的變化有明顯的影響;通過(guò)所建立模型的修正,可以有效地提高彈頭再入落點(diǎn)精度;由于風(fēng)場(chǎng)影響的地區(qū)性和時(shí)間性,在進(jìn)行修正時(shí),必須結(jié)合給定的目標(biāo)點(diǎn)和發(fā)射時(shí)間的風(fēng)場(chǎng)模型確定修正量。
張松蘭等[22]針對(duì)常規(guī)彈箭的飛行高度范圍,為彈道計(jì)算方便,提出了準(zhǔn)定常風(fēng)、風(fēng)切變、陣風(fēng)、急流和隨機(jī)風(fēng)的簡(jiǎn)化風(fēng)場(chǎng)模型,基于Matlab仿真工具并采用這些模型進(jìn)行了航空炸彈射擊誤差的彈道仿真計(jì)算,獲得了風(fēng)場(chǎng)與彈道誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為風(fēng)修正彈箭設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。
4.4 對(duì)其他性能的影響分析
蔣康博等[23]通過(guò)分析近艦區(qū)風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn),建立了低窄風(fēng)場(chǎng)和艦尾流模型,對(duì)飛機(jī)的著艦過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。飛行員在環(huán)的地面飛行模擬試驗(yàn)表明,近艦區(qū)風(fēng)場(chǎng)影響了著艦航跡的穩(wěn)定性,具有切變性質(zhì)的突風(fēng)和艦尾流的確降低了飛機(jī)著艦的安全性,容易導(dǎo)致飛機(jī)非對(duì)稱著艦情況的出現(xiàn);對(duì)飛機(jī)的過(guò)載和姿態(tài)的影響也很大,同時(shí)顯著增加了飛行員的滾轉(zhuǎn)操縱負(fù)荷。
李文華等[24]研究了海洋環(huán)境中風(fēng)力對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)影響,建立了風(fēng)力擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)Harris風(fēng)速變動(dòng)功率譜和一種新型風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算方法,基于Matlab軟件平臺(tái)建立關(guān)于風(fēng)力擾動(dòng)的仿真平臺(tái),可應(yīng)用于模擬任意風(fēng)速和風(fēng)向條件下的海洋環(huán)境對(duì)動(dòng)力定位船舶的風(fēng)擾動(dòng)力和力矩。
海洋風(fēng)場(chǎng)是海洋力學(xué)環(huán)境的重要組成部分。風(fēng)作用在飛行器和航行器上將產(chǎn)生擾動(dòng)力,極大地影響飛行器和航行器的飛行性能和航行性能。首先對(duì)海洋風(fēng)場(chǎng)的基本概念、風(fēng)速的高度和時(shí)距特性、陣風(fēng)譜和長(zhǎng)期分布以及我國(guó)海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變換特征進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述,然后介紹了目前較常用的海洋風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)定常風(fēng)、風(fēng)切變、急流、大氣紊流、隨機(jī)風(fēng)的典型數(shù)學(xué)模型以及風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬方法,最后詳細(xì)歸納分析了海洋風(fēng)場(chǎng)對(duì)飛行器和航行器的飛行控制、飛行性能、落點(diǎn)精度等影響的建模仿真應(yīng)用實(shí)例,期望能為飛行器和航行器設(shè)計(jì)、飛行和航行試驗(yàn)、仿真試驗(yàn)等領(lǐng)域研究人員提供一些思路和參考。
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Modeling and Simulation Application of Sea Wind Field
XU Songlin QIN Dongsheng
(Unit 91, No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)
The sea wind element is the basic parameter of oceanography and aerography, which also has important influence on fly performance of aerocraft and aircraft. The basic concept of sea wind field, the height and time characteristic of wind speed, the flurry chart and long-term distributing, and the space-time switch characteristic are summarized briefly in this paper. The typical mathematic models of wind such as mean wind, gust, turbulence and random wind are introduced. The application of sea wind field modeling simulation in flying control, flying performance, and hit accuracy of aerocraft are analyzed in detail.
sea wind field, mathematic model, simulation analysis, application
2014年12月13日,
2015年1月20日
徐松林,男,博士,工程師,研究方向:武器系統(tǒng)試驗(yàn)與鑒定。
TJ012
10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.024