臨近空間環(huán)境探空火箭膨脹落球探測技術(shù)

史東波，胡雄，涂翠，韋峰，王欣穎

（中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190）

臨近空間是航天和航空的過渡區(qū)域。隨著航空和航天事業(yè)的發(fā)展，臨近空間已日益凸顯其重要的戰(zhàn)略地位，臨近空間環(huán)境探測也日趨迫切。30 km以上臨近空間大氣環(huán)境原位探測主要通過探空火箭方式實現(xiàn)，30～60 km大氣環(huán)境探測可使用探空火箭降落傘探空儀進行探測。由于60 km以上大氣密度較小，降落傘開傘時間過長，導致探空儀下落速度過快，使得降落傘探空儀無法進行60 km以上大氣環(huán)境探測。

膨脹落球作為另一種探空火箭的原位探測載荷，可完成30～100 km臨近空間大氣密度、風場、溫度和氣壓等大氣環(huán)境參數(shù)的原位探測。由于其具有探測要素多、探測高度范圍廣、載荷成本低、設備較為簡單等特點，已成國外60～120 km臨近空間環(huán)境探測的主要手段，并得已廣泛應用。

對于探空火箭膨脹落球技術(shù)，國外尤其是美國自20世紀 50年代起開始發(fā)展。NASA在 ARCASROBIN、LOKL DART、SIDEWINDER ARCAS、SPARROW HV ARCAS、VIPER-DART等系列氣象及探空火箭中均搭載過膨脹落球。在20世紀60，70年代，美國大規(guī)模發(fā)展氣象及探空火箭時期，其總共發(fā)射的1000多枚火箭中，有一半以上采了膨脹落球技術(shù)進行臨近空間原位環(huán)境探測。NASA膨脹落球?qū)嵨锶鐖D1所示[7]。

我國早在20世紀70年代也開始發(fā)展膨脹落球技術(shù)。中國科學院國家空間科學中心在 1974—1979年期間發(fā)展和平六號II型火箭膨脹落球探測技術(shù)，成功獲取了臨近空間40～65 km大氣密度、風場等環(huán)境參數(shù)。和平六號 II型膨脹落球如圖 2所示。針對 30～100 km的探測需求，中國科學院國家空間科學中心采用全新技術(shù)及工藝研制了新的膨脹落球。文中介紹了其探測原理、系統(tǒng)組成，并給出了仿真和反演結(jié)果。

1 膨脹落球簡介

1.1 探測原理

膨脹落球擬采用探空火箭為運載手段被帶入高空并釋放，在下落過程中，膨脹落球受到重力、大氣阻力、浮力、科里奧利力等的綜合影響。

式中：

因此膨脹落球下落過程中的加速度為：

式中：AS為球體的切面積；Cd為阻力系數(shù)；g為重力加速度；m為球體質(zhì)量；V為球體的速度；Vr為球體相對于空氣的運動；Vb球體的體積；ρ為大氣的密度；ω為地球的角速度。

通過測量膨脹落球的位置、速度和加速度等信息，結(jié)合大氣靜立方程可反演獲得大氣密度、風場、溫度和氣壓數(shù)據(jù)。

將上方程式分解成 3 個直角分量。通過垂直的分量從而反演出大氣密度：

式中：gz為在 Z 高度上的重力加速度；WZ垂直的風分量，通常假定為0；z˙為球體速度的垂直分量；z˙˙為球體加速度的垂直分量；

溫度和氣壓使用靜力方程式和理想氣體狀態(tài)方程式從大氣的密度反演而得：

式中：h 為高度，積分變量；M0為干空氣的分子量；R 為通用的氣體常數(shù)；Ta為在基準高度上的溫度，K；Tz為在高度 z上的溫度，K；ρa為在基準高度a上的密度；ρh為高度間隔h 到a積分的密度；ρz在高度z的密度；P為氣壓；

大氣風場可利用膨脹落球位置、速度和加速度等測量數(shù)據(jù)及大氣密度得出：

式中：Wx，Wy，Wz為 x，y，z方向上的風速；x，y，z 為落球位置； x˙， y˙， z˙為落球 x，y，z 方向上的速度；x˙˙，y˙˙，z˙˙為落球x，y，z方向上的加速度。

1.2 系統(tǒng)組成

膨脹落球探測系統(tǒng)包括運載火箭、落球系統(tǒng)、地面遙外測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。新型膨脹落球?qū)嵨锶鐖D3所示。

運載火箭為探空火箭，為落球提供運載服務，將落球運送到指定高度并將其分離拋出。落球系統(tǒng)包括包裝殼體和膨脹落球，包裝殼體為落球與火箭艙段的適配殼體，起到保護膨脹落球的作用。膨脹落球為落球主體，包括球膜，自動充氣機構(gòu)及角反射體等內(nèi)置部件。地面遙外系統(tǒng)為探空火箭及膨脹落球提供遙外側(cè)服務，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過遙外側(cè)系統(tǒng)測得的膨脹落球數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)反演，計算出大氣密度、風場、溫度、氣壓等臨近空間大氣環(huán)境參數(shù)。

1.3 探測過程

如圖4所示，膨脹落球在地面折疊完成后裝入探空火箭載荷艙；探空火箭發(fā)射后，在指定落球分離點進行落球分離釋放；落球在被釋放出去后通過內(nèi)部自動充氣機構(gòu)迅速完成自動充氣，并形成一個超壓球。落球由于慣性飛行至頂點開始下落，在下落過程中地面遙外側(cè)設備對落球位置、速度及加速度進行測量。落球下降至30 km左右，由于內(nèi)部氣壓不大于30 km左右氣壓，落球產(chǎn)生形變，探測過程結(jié)束。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過膨脹落球遙外測數(shù)據(jù)進行大氣密度、風場、溫度、氣壓等臨近空間大氣環(huán)境參數(shù)的反演。

2 仿真及反演結(jié)果

假設膨脹落球直徑為1 m，質(zhì)量為800 g，從海拔120 km以零速度開始下落，經(jīng)歷如圖5所示的大氣環(huán)境參數(shù)。

膨脹落球在上述環(huán)境中的下落過程仿真結(jié)果如圖6所示。圖中橫軸為下落時間，縱軸為海拔高度，曲線軌跡表示不同時間球所處的高度，曲線顏色表示不同時間不同高度處球的下落速度。

根據(jù)1.1節(jié)介紹的算法，對膨脹落球經(jīng)歷的臨近空間大氣環(huán)境參數(shù)進行反演，得到結(jié)果如圖7所示。從反演結(jié)果可知，在不考慮測量誤差的情況下，臨近空間大氣環(huán)境參數(shù)反演結(jié)果與真值符合得很好。

3 結(jié)語

文中介紹了探空火箭膨脹落球探測原理、系統(tǒng)組成和探測過程，仿真和反演結(jié)果表明該探測技術(shù)可行、數(shù)據(jù)可靠。

探空火箭膨脹落球探測技術(shù)作為臨近空間原位探測技術(shù)之一，可填補我國60～100 km大氣密度、風場、溫度、氣壓等臨近空間大氣環(huán)境參數(shù)原位探測的空白。與探空氣球技術(shù)，氣象火箭降落傘探空儀技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)0～100 km臨近空間大氣環(huán)境的原位探測，可為臨近空間飛行試驗和發(fā)射及返回任務等提供必要的環(huán)境保障，為臨近空間環(huán)境科學研究等提供寶貴數(shù)據(jù)。