Семинар по фундаментальным проблемам аэродинамики в формате видеоконференции ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, ИТПМ СО РАН, СПбПУ, ИМех МГУ

Тема: Новая топология области рассеивания неуправляемых тел при входе в атмосферу

Автор: Александр Сергеевич Филатьев (ЦАГИ) filatyev@yandex.ru

Исследуются новые физические особенности движения неуправляемых тел в атмосфере, позволяющие объяснить наблюдаемые на практике «аномальные» отклонения точек приземления отделяемых частей (ОЧ) ракет космического назначения (РКН) и их фрагментов от расчетных. Определены условия топологических изменений вероятных областей рассеивания точек падения в сравнении с традиционными «эллипсами рассеивания».

Показано, что для практического диапазона значений параметров задачи на заключительном участке траектории происходит квазистабилизация угла атаки тела при случайной ориентации по крену, что приводит к неустойчивости траектории и, как следствие, к качественно новой топологии области рассеивания: вместо номинальной точки падения следует выделять номинальное неодносвязное множество типа кольца. Размеры областей рассеивания с такой топологией зависят уже не столько от традиционно рассматриваемых случайных возмущений, сколько от аэродинамического качества тела на балансировочном угле атаки, и для характерных форм ОЧ могут превосходить выделяемые зоны отчуждения.

Эксперименты были выполнены микротрубкой Пито (Ø 20 мкм) и специально изготовленным миниатюрным датчиком термоанемометра, имеющим вольфрамовую нить Ø 2 мкм, длину 200 мкм и поддерживающие нить ножки Ø 30 мкм. Для тарировки датчика была изготовлена миниатюрная аэродинамическая труба (диаметр выходного сечения 5,5 мм).

Показано, что изменение областей рассеивания при вариации параметров задачи часто носит бифуркационный характер. В частности, демонстрируется качественное перерождение областей рассеивания точек падения отработанного ускорителя типичной затупленной цилиндрической формы при переходе от начальных условий, соответствующих разделению I ступени РКН «Протон-М», к условиям при разделении I ступени РКН «Ангара-А5».

Для анализа движения фрагментов в случае разрушения ОЧ в плотных слоях атмосферы под действием аэротермодинамических нагрузок разработан статистический подход с выделением нескольких типовых форм фрагментов. При анализе использованы разработанные в ЦАГИ методики аэротермодинамического расчета и анализа нагружения элементов конструкции и последствий взрыва ОЧ.

Представлена методика формирования наихудших (критических) возмущений при исследовании траекторий ЛА, основанная на решении сопряженной системы, позволяющая строить границы области рассеивания с заданной вероятностью без имитации самих траекторий, что на много порядков сокращает объем расчетов и уменьшает доверительный интервал по сравнению с методом Монте-Карло.