再入段弹道

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第 十 章 再 入 段 弹 道

• 概 述

• 远 程 火 箭 的 被 动 段 飞 行 弹 道 , 根 据 其 受 力 情 况

不 同 , 可 分 为 自 由 段 和 再 入 段 。


• 自 由 段 和 再 入 段 的 界 限 是 选 在 大 气 的 任 意 界 面 上 ,

• 其 高 度 与 要 解 决 的 问 题 、 飞 行 器 的 特 性 、 射 程 ( 或

航 程 ) 等 有 关 。

• 例 如 , 大 气 对 远 程 弹 头 的 运 动 参 数 开 始 产 生 影 响 的

高 度 约 为 80~100 公 里 ,

• 通 常 取 80 公 里 作 为 再 入 段 起 点 ,

• 有 时 为 了 讨 论 问 题 方 便 , 也 以 主 动 终 点 高 度 作 为 划

分 的 界 限 。

• 实 际 上 , 即 使 在 自 由 段 , 飞 行 器 也 会 受 到 微 弱 的 空

气 动 力 作 用 , 特 别 对 近 程 弹 道 导 弹 , 由 于 弹 道 高 度

不 高 , 情 况 更 是 如 此 。 因 此 , 在 本 章 将 建 立 的 考 虑

空 气 动 力 的 再 入 段 运 动 方 程 , 也 可 用 于 研 究 考 虑 空

气 动 力 后 的 自 由 段 , 从 而 使 自 由 段 弹 道 精 确 化 。


• 航 天 器 再 入 ( 回 收 ) 前 , 由 于 离 大 气 层 的 “ 界 面 ” 相

距 较 远 , 所 以 还 需 用 止 推 发 动 机 使 航 天 器 的 速 度 下

降 , 以 逐 渐 降 低 航 天 器 的 高 度 , 使 航 天 器 在 予 定 的

位 置 达 到 大 气 层 的 “ 界 面 ”, 然 后 进 入 再 入 段 飞 行 。

因 此 , 航 天 器 再 入 前 尚 需 要 一 个 过 渡 段 , 由 于 学 时

有 限 , 本 书 对 过 渡 段 就 不 作 讨 论 。

• 航 天 器 再 入 大 气 层 的 “ 界 面 ” 一 般 为 100~120 公 里

• 飞 船 一 般 取 100 公 里

• 航 天 飞 机 一 般 取 120 公 里


在 再 入 段 , 飞 行 器 受 到 地 球 引 力 、 空 气 动 力 和 空 气 动

力 矩 的 作 用 。 正 由 于 空 气 动 力 的 作 用 , 使 得 飞 行 器

在 再 入 段 具 有 以 下 特 点 :

1) 飞 行 器 运 动 参 数 与 真 空 飞 行 时 有 较 大 的 区 别 。

2) 由 于 飞 行 器 以 高 速 进 入 稠 密 大 气 层 , 受 到 强 大 的 空

气 动 力 作 用 而 产 生 很 大 的 过 载 , 且 飞 行 器 表 面 也 显

著 加 热 。 这 些 在 研 究 飞 行 器 的 落 点 精 度 和 进 行 飞 行

器 强 度 设 计 及 防 热 措 施 时 , 都 是 在 予 以 重 视 的 问 题

3) 可 以 利 用 空 气 动 力 的 升 力 特 性 , 进 行 再 入 机 动 飞 行 。

根 据 上 述 再 入 段 的 特 点 , 有 必 要 对 飞 行 器 的 再 入 段 运

动 进 行 深 入 的 研 究 。


10.1 再 入 段 运 动 方 程

• 在 再 入 段 , 飞 行 器 是 处 于 仅 受 地 球 引 力 、 空 气

动 力 和 空 气 动 力 矩 作 用 的 无 动 力 、 无 控 制 的 常

质 量 飞 行 段 ,

• 很 容 易 由 第 三 章 空 间 一 般 运 动 方 程 简 化 得 到 再

入 运 动 方 程 。

• ( 下 面 的 讲 解 中 , 不 按 部 就 班 , 只 讲 特 殊 性 )


10.1.1 矢 量 形 式 的 再 入 段 动 力 学 方 程

在 式 (3.2) 中 , 取

在 式 (3.4) 中 , 取

p = 0

F = 0 F ′ c k

= 0

M = 0, M′ = 0 M′

= 0

c rel k

便 得 到 在 惯 性 空 间 中 以 矢 量 形 式 描 述 的 再 入 段 质 心 动

力 学 方 程 。

2

(10.1)

m

d

dt

r

2

= R+

mg


在 平 移 坐 标 系 中 建 立 的 绕 质 心 动 力 学 方 程


I ⋅

T

+ ω × ( I ⋅ ω ) = M + M

dt

T T st d

(10.2)

其 中

ω = ω+

ω

T

e

(10.3)


10.1.2 地 面 发 射 坐 标 系 中 再 入 段 空 间 运 动 方 程

( 自 习 内 容 )

考 虑 再 入 的 特 点 , 进 行 简 化 。

(10.4)


10.1.3 以 总 攻 角 、 总 升 力 表 示 的 再 入 段 空 间 弹 道 方 程

• 在 式 (10.4) 所 示 的 再 入 段 空 间 弹 道 方 程 中 , 气 动 力

表 示 在 速 度 坐 标 系 中 , 分 别 为 阻 力 、 升 力 和 侧 力 。

• 这 里 , 引 入 总 攻 角 、 总 升 力 的 概 念 , 将 气 动 力 用 总

攻 角 、 总 升 力 等 表 示 ,

• 则 可 推 导 出 适 用 于 各 种 再 入 飞 行 器 的 再 入 段 空 间 运

动 方 程 的 另 一 种 常 用 形 式 。


如 图 10.1 所 示 ,

• 定 义 总 攻 角 为

速 度 轴

飞 行 器 纵 轴

之 夹 角 ,


• 空 气 动 力 必 定


x ox

1 1 v

ox

1 v

η

ox

1 1

所 决

定 的 平 面 内 ,

称 为 总 攻 角 平

面 。


在 总 攻 角 平 面 内 将 气 动 力 沿 飞 行 器 纵 轴 方 向

及 其 垂 直 方 向

0

n

分 解 , 可 得

0

x 1

X 1

为 轴 向 力 , N 称 为 总 法 向 力 。

由 图 10.1 可 知

X1 1

0 0

R =− x + Nn

Nn = Yy + Z z

0 0 0

1 1 1 1

(10.6)

(10.7)

0

由 此 推 断 出 , n 沿 z1oy

1 1 平 面 与 x1ox

1 v 平 面

的 交 线 OP

1 1 方 向 。


同 理 , 在 总 攻 角 平 面 内 , 可 将 气 动 力 沿 速 度 轴

0

x v

0

方 向 及 其 垂 直 方 向 l 的 分 解 。 可 得

X

0

L

0

v

R =− Xx + l

为 阻 力 , L 称 为 总 升 力 。

(10.8)

由 图 10.1 可 知

Ll = Yy + Zz

(10.9)

0

显 然 , l 沿 zvoy

1 v 平 面 与 x ox 平 面 的

交 线 OP 方 向 。

1 v

0 y 0

v v

1 1 v


• 这 部 分 内 容 请 大 家 自 学

• 应 当 指 出 , 气 动 力 的 作 用 点 在 压 心 , 而 不 是 质

心 ,

• 为 了 讨 论 问 题 的 方 便 , 在 作 图 中 , 气 动 力 过 质 心 。

下 面 内 容 :

• 先 讨 论 总 攻 角 、 总 法 向 力 、 总 升 力 与 攻 角 、 侧 滑

角 、 法 向 力 、 横 向 力 及 升 力 、 侧 力 之 间 的 关 系

• 最 后 导 出 以 总 攻 角 、 总 升 力 等 表 示 的 再 入 段 空 间

运 动 方 程 。


10.1.4 简 化 的 再 入 段 平 面 运 动 方 程

考 虑 到 再 入 飞 行 器 , 特 别 是 弹 道 导 弹 在 再 入 段 飞 行 的 射 程 较

小 , 飞 行 时 间 也 较 短 , 因 此 在 研 究 其 运 动 时 , 可 作 如 下 假 设 :

(i) 不 考 虑 地 球 旋 转 ;

(ii) 地 球 为 一 圆 球 , 即 引 力 场 为 一 与 地 心 距 平 方 成 反 比 的 有 心 力

场 ;

(iii) 认 为 飞 行 器 的 纵 轴 始 终 处 于 由 再 入 点 的 速 度 矢 量 及 地 心 矢

所 决 定 的 射 面 内 , 即 侧 滑 角 为 0。

根 据 上 述 假 设 可 知 , 飞 行 器 在 理 想 条 件 下 的 再 入 段 运 动 将 不 存

在 垂 直 射 面 的 侧 力 , 因 而 整 个 再 入 段 运 动 为 一 平 面 运 动 。


引 言 :

一 般 来 说 , 飞 行 器 是 以 任 意 姿 态 进 入 大 气 层 的 , 其 运 动 包 含 质

心 运 动 和 绕 质 心 运 动 , 但 对 于 静 稳 定 的 再 入 飞 行 器 , 当 有 攻

角 时 , 稳 定 力 矩 将 使 其 减 小 , 通 常 在 气 动 力 较 小 时 就 使 飞 行

η = 0

器 稳 定 下 来 。 此 时 , 速 度 方 向 与 飞 行 器 纵 轴 重 合 ,

飞 行 器 不 再 受 到 升 力 的 作 用 , 这 样 的 再 入 称 为 “ 弹 道 再 入 ” 或

称 “ 零 攻 角 再 入 ”,“ 零 升 力 再 入 ”。

η ≠ 0

反 之 , 如 果 在 再 入 过 程 中 , , 飞 行 器 受 到 升 力 的 作 用 ,

这 种 再 入 称 为 “ 有 升 力 再 入 ”。

对 于 零 攻 角 的 再 入 弹 道 和 有 升 力 的 再 入 弹 道 , 分 别 予 以 介 绍 。


10.2 零 攻 角 再 入 时 的 弹 道 问 题

• 无 论 飞 行 器 是 采 用 零 攻 角 再 入 , 还 是 有 升 力 再 入 , 用 计 算 机 数

值 积 分 求 解 完 整 的 再 入 弹 道 都 不 是 困 难 的 事 情 。

• 但 在 飞 行 器 的 初 步 设 计 中 , 希 望 能 迅 速 地 求 得 飞 行 器 的 运 动 参

数 , 分 析 各 种 因 素 对 运 动 参 数 的 影 响 。

• 例 如 , 在 导 弹 初 步 设 计 中 , 对 弹 头 结 构 所 能 承 受 的 最 小 负 加 速

度 、 热 流 及 烧 蚀 问 题 感 兴 趣 , 便 希 望 能 有 近 似 的 解 析 计 算 最 小

负 加 速 度 、 最 大 热 流 等 。

• 显 然 用 再 入 段 的 空 间 弹 道 方 程 (10.4) 是 得 不 到 近 似 的 解 析 解

的 。

• 因 此 , 在 研 究 再 入 段 运 动 参 数 的 近 似 解 时 , 一 般 都 采 用 简 化 的

再 入 段 平 面 运 动 方 程 (10.41)。


对 零 攻 角 再 入 , 因 ,

故 , 即 ,

由 式 (10.41) 可 写 出 零 攻 角 再 入 时 的 运 动 微 分

方 程

L = 0

η = 0

Y

= Z =

0

⎧dv X


= − − g sin Θ

dt m


⎪d Θ ⎛v g⎞

= ⎜ − ⎟cos

Θ

⎪ dt ⎝r v ⎠


⎪ dr

= vsin

Θ

⎪ dt



dβe

v

= cos Θ

⎪⎩ dt r

(10.43)


注 意 到 上 式 中 第 一 式

dv

dt

2

vSM

ρ

= −Cx

−gsin

Θ

2m

为 得 到 近 似 的 解 析 解 , 假 设 大 气 密 度 的 标 准 分

布 和 主 动 段 一 样 , 是 按 指 数 函 数 规 律 变 化

ρ = ρ r −β

h

0

由 于 密 度 随 高 底 变 化 有 这 样 的 近 似 解 析 式 , 所

以 再 入 段 运 动 参 数 的 近 似 解 一 般 不 以 时 间 为 自

变 量 , 而 以 高 度 为 自 变 量 。


得 到 简 化 方 程 后 , 近 似 计 算 再 入 中 的 主 要 特

征 参 数 :

10.2.1 最 小 加 速 度

10.2.2 热 流

10.2.3 运 动 参 数

( 自 学 这 部 分 内 容 )

要 求 能 用 书 上 的 方 法 进 行 近 似 计 算 。


10.3 有 升 力 再 入 弹 道

10.3.1 问 题 的 提 出 及 技 术 途 径

从 飞 行 器 采 用 弹 道 式 再 入 时 存 在 的 问 题 出 发 , 讨 论 有

升 力 的 再 入 弹 道 问 题 。

1. 弹 头 再 入 机 动

• 导 弹 的 威 力 越 来 越 大 , 命 中 精 度 也 越 来 越 高 , 目 前

已 发 展 到 携 带 多 个 数 十 万 吨 TNT 当 量 子 弹 头 的 洲 际

导 弹 , 其 命 中 精 度 已 达 到 近 100 米 的 圆 概 率 偏 差 , 具

有 摧 毁 加 固 地 下 井 的 打 击 能 力 。


• 出 现 了 反 弹 道 导 弹 的 反 导 弹 武 器 和 反 导 防 御 体 系 。

反 导 武 器 通 常 配 置 于 所 要 保 卫 目 标 的 附 近 , 可 成 圆 周

形 配 置 , 也 可 配 置 于 敌 方 可 能 实 施 突 击 的 方 向 上 。

当 预 警 雷 达 测 得 敌 方 来 袭 的 弹 道 导 弹 参 数 后 , 将 参

数 传 送 给 反 导 系 统 , 使 反 导 系 统 在 敌 方 导 弹 进 入 防

御 空 间 时 用 空 高 拦 截 武 器 进 行 拦 截 , 若 有 弹 道 导 弹

突 破 高 空 拦 截 区 , 还 可 使 用 低 空 拦 截 武 器 实 施 攻 击 。


无 论 是 高 空 拦 截 武 器 或 是 低 空 拦 截 武 器 都 有 一 定 的 防

御 空 间 , 通 常 称 为 杀 伤 区 。


而 弹 道 导 弹 飞 行 速 度 大 , 相 应 穿 过 杀 伤 区 的 时

间 是 短 的 , 因 此 拦 截 武 器 反 击 时 间 是 有 限 的 ,

而 且 要 求 拦 截 武 器 有 较 好 的 机 动 性 能 。

正 因 为 反 导 弹 武 器 的 出 现 , 势 必 剌 激 战 略 进 攻

武 器 的 进 一 步 完 善 和 发 展 , 要 求 弹 道 导 弹 具 有

突 破 对 方 反 导 防 御 体 系 的 能 力 。


目 前 , 主 要 的 突 防 技 术 为 采 用 多 弹 头 和 施 放 诱

饵 等 手 段 。

• 而 在 大 气 层 中 的 再 入 突 防 , 一 种 有 效 的 办 法 是

进 行 再 入 弹 道 机 动 。

• 在 导 弹 弹 道 接 近 目 标 时 , 突 然 改 变 其 原 来 的 弹

道 作 机 动 飞 行 , 亦 称 机 动 变 轨 , 其 目 的 是 造 成

反 导 导 弹 的 脱 靶 量 , 或 避 开 反 导 导 弹 的 拦 截 区

攻 击 目 标 。

突 防 采 用 的 弹 道 如 图 10.7 所 示 。


• 这 就 从 弹 头 的 突 防 提 出 了 再 入 机 动 弹 道 的 研 究 问 题 。


• 为 实 现 弹 头 再 入 弹 道 的 机 动 , 可 通 过 改 变 弹 头 的 姿 态

产 生 一 定 的 攻 角 ( 升 力 ) 来 完 成 。 而 改 变 弹 头 的 姿 态

可 以 用 弹 头 尾 部 装 发 动 机 ; 装 伸 缩 块 , 或 称 调 整 片 、

配 平 翼 ; 或 者 利 用 心 偏 移 的 办 法 来 产 生 控 制 力 矩 。


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2. 航 天 器 的 再 入

• 航 天 器 要 脱 离 运 动 轨 道 返 回 地 面 , 可 通 过 制 动 火 箭

给 航 天 器 一 个 速 度 增 量 , 使 飞 行 器 进 入 与 地 球 大 气

相 交 的 椭 圆 轨 道 , 然 后 进 入 大 气 层 。 从 进 入 大 气 层

到 着 陆 系 统 开 始 工 作 ( 如 降 落 伞 打 开 ) 的 这 一 飞 行

段 为 再 入 段 。

• 航 天 器 在 地 球 大 气 中 可 能 的 降 落 轨 道 有 : 弹 道 式 轨

道 、 升 力 式 轨 道 、 跳 跃 式 轨 道 和 椭 圆 衰 减 式 轨 道 。


• 轨 道 (a) 为 沿 陡

峭 弹 道 的 弹 道 式

再 入 ;

• 轨 道 (b) 为 沿 倾

斜 弹 道 的 弹 道 式

再 入 ;

• 轨 道 (c) 为 升 力

式 轨 道 ;

• 轨 道 (d) 为 跳 跃

式 轨 道 ,


跳 跃 式 轨 道

航 天 器 以 较 小 的 再 入 角 进 入 大 气 层 后 , 依 靠 升 力 , 再

次 冲 出 大 气 层 , 做 一 段 弹 道 式 飞 行 , 然 后 再 进 入 大

气 层 , 也 可 以 多 次 出 入 大 气 层 , 每 进 入 一 次 大 气 层

就 利 用 大 气 进 行 一 次 减 速 , 这 种 返 回 轨 道 的 高 度 有

较 大 起 伏 的 变 化 , 故 称 作 跳 跃 式 轨 道 。

对 进 入 大 气 层 后 虽 不 再 跳 出 大 气 层 , 但 可 靠 升 力 使 轨

道 高 度 有 较 大 起 伏 变 化 的 轨 道 , 也 称 作 跳 跃 式 轨 道 。


如 果 航 天 器 采 用 弹 道 道 式 再 入 , 存 在 以 下 的 主 要 问 题 。

1) 着 陆 点 散 布 大

由 于 航 天 器 在 大 气 层 的 运 动 处 于 无 控 状 态 , 航 天 器 落 点 位 置 的

准 确 程 度 , 主 取 决 于 制 动 火 箭 的 姿 态 和 推 力 , 而 在 制 动 结 束

后 的 降 落 过 程 中 没 有 修 正 偏 差 的 可 能 , 因 此 需 要 有 一 个 广 阔

的 回 收 区 。

此 外 , 还 必 须 等 到 星 下 点 轨 道 恰 好 经 过 予 想 的 落 点 上 空 。

解 决 以 上 问 题 最 可 行 的 办 法 是 在 再 入 过 程 中 , 利 用 空 气 动 力 的

升 力 特 性 来 改 变 轨 道 , 也 即 通 过 控 制 升 力 , 使 航 天 器 具 有 一

定 的 纵 向 机 动 和 侧 向 机 动 的 能 力 。


2) 再 入 走 廊 狭 窄

• 弹 道 式 再 入 时 , 轨 道 的 形 状 完 全 取 决 于 航 天 器 进 入 大 气 层 时

Θ e

的 初 始 条 件 , 即 取 决 于 再 入 时 的 速 度 大 小 和 再 入 角 。

• 由 式 (10.53) 分 析 可 知 , 最 小 负 加 速 度 与 此 两 个 运 动 参 数 有

关 。

• 理 论 上 讲 , 适 当 地 控 制 再 入 角 和 速 度 的 大 小 , 可 以 使 最 大 过

载 不 超 过 允 许 值 。

• 实 际 上 , 用 减 小 速 度 的 办 法 来 减 小 最 大 过 载 值 是 不 可 取 的 。

因 为 速 度 的 减 小 有 赖 于 制 动 速 度 的 增 大 , 这 将 使 制 动 火 箭 的

总 冲 增 加 , 使 航 天 器 质 量 增 大 , 所 以 控 制 弹 道 式 再 入 航 天 器

最 大 过 载 的 主 要 办 法 就 是 控 制 再 入 角 。

v e


若 再 入 角 过 大 , 则 轨 道 过 陡 , 受 到 的 空 气 动 力 作 用 过 大 , 减 速

过 于 激 烈 , 以 致 使 航 天 器 受 到 的 过 载 和 气 动 热 超 过 航 天 器 的 结

构 、 仪 器 设 备 或 宇 航 员 所 空 承 受 的 过 载 , 或 使 航 天 器 严 重 绕

蚀 , 不 能 正 常 再 入 , 因 此 存 在 一 个 最 大 再 入 角 。


若 过 小 , 可 能 使 航 天 器 进 入 大 气 层 后 受 到 的 空 气 动 和 作 用 过

小 , 不 足 以 使 它 继 续 深 入 大 气 层 , 可 能 会 在 稠 密 大 气 层 的 边 缘

掠 过 而 进 入 不 了 大 气 层 , 也 不 能 正 常 再 入 。 因 此 , 存 在 一 个 最

小 再 入 角 。


可 见 , 为 了 实 现 正 常 再 入 , 再 入 角 应 满 足 下 式 :

| Θ | ≤Θ | | ≤Θ | |

e min e e

max

称 这 个 范 围 为 再 入 走 廊 。

ΔΘ = | Θ | −| Θ |

e e max e

min

为 再 入 走 廊 的 宽 度 。


不 同 的 航 天 器 有 不 同 的 气 动 特 性 、 不 同 的 防 热 结 构 和

最 大 过 载 允 许 值 , 因 而 有 不 同 的 再 入 走 廊 。

一 般 来 说 , 航 天 器 的 再 入 走 廊 都 比 较 狭 窄 。 为 了 加 宽

再 入 走 廊 , 可 通 过 使 航 天 器 再 入 时 具 有 一 定 的 升 力

来 实 现 。 当 航 天 器 有 一 定 的 负 攻 角 , 那 么 它 将 以 一

定 的 负 升 力 进 入 大 气 层 , 负 升 力 使 航 天 器 的 再 入 轨

道 向 内 弯 曲 , 从 而 可 以 使 航 天 器 在

| Θ

e

|


综 上 所 述 , 采 用 弹 道 式 再 入 的 航 天 器 存 在 落 点 散 布 大 、

再 大 走 廊 狭 窄 等 问 题 。

解 决 问 题 的 方 法 就 是 采 用 升 力 的 再 入 机 动 弹 道 。

目 前 , 根 据 航 天 器 的 气 动 特 征 不 同 , 航 天 器 可 分 为 三

类 :

• 弹 道 式 再 入 航 天 器 、

• 弹 道 —— 升 力 再 入 航 天 器

• 升 力 式 再 入 航 天 器 。


(1) 弹 道 式 再 入 航 天 器

虽 然 弹 道 式 再 入 存 在 落 点 散 布 大 和 再 入 走 廊 狭 窄 等 主

要 问 题 ,

但 由 于 再 入 大 气 层 不 产 生 升 力 或 不 控 制 升 力 , 再 入 轨

道 比 较 陡 峭 , 所 经 历 的 航 程 和 时 间 较 短 , 因 而 气 动

加 热 的 总 量 也 较 小 , 防 热 问 题 较 易 处 理 。

此 外 它 的 气 动 外 形 也 不 复 杂 , 可 做 成 简 单 的 旋 成 体 。

上 述 两 点 都 使 它 的 结 构 和 防 热 设 计 大 为 简 化 , 因 而

成 为 最 先 发 展 的 一 类 再 入 航 天 器 。


(2) 弹 道 —— 升 力 式 再 入 航 天 器

在 弹 道 式 再 入 航 天 器 的 基 础 上 , 通 过 配 置 质 心 的 办

法 , 使 航 天 器 进 入 大 气 层 时 产 生 一 定 升 力 就 成 为 弹

道 — 升 力 式 再 入 航 天 器 。

其 质 心 不 配 置 在 再 入 航 天 器 的 中 心 轴 线 上 , 而 配 置 在

偏 离 中 心 轴 线 是 一 段 很 小 的 距 离 处 , 同 时 使 质 心 在

压 心 之 前 。 这 样 , 航 天 器 在 大 气 中 飞 行 时 , 在 某 一

个 攻 角 下 , 空 气 动 力 对 质 心 的 力 矩 为 零 , 这 个 攻 角

称 为 配 平 攻 角 , 如 图 7-11 所 示 。 在 配 平 攻 角 飞 行 状

态 下 , 航 天 器 的 相 应 地 产 生 一 定 的 升 力 , 此 升 力 一

般 大 于 阻 力 的 一 半 , 即 升 阻 比 小 于 0.5。


以 配 平 攻 角 飞 行 时 的 特 性 如 下 :

1) 根 据 配 平 攻 角 的 定 义 , 空 气 动 力 R 对 质 心

的 力 矩 为 零 , 故 空 气 动 力 R 通 过 航 天 器 的 压 心

和 质 心 。

2) 由 于 R 通 过 航 天 器 的 压 心 和 质 心 , 且 再 入

航 天 器 为 旋 成 体 , 其 压 心 在 再 入 航 天 器 的 几 何

纵 轴 上 , 所 以 在 平 面

内 , 又 在 平 面

内 , 故 轴 在 平 面 ox y 内 , 即 侧 滑 角

ox

1 v

1 v 1

β = 0

oxy

1 1 1

oxx

1 v 1


1) 以 配 平 攻 角 飞 行 时 , 由 图 10.11 知

N( x − x ) = X δ

p

g

1

C ( x − x ) = C δ

δ 为 质 心 偏 离 几 何 纵 轴 的 距 离 。

N p g x1

(10.90)

2) 以 配 平 攻 角 飞 行 时 有

这 是 因 为 , 以 配 平 攻 角 飞 行 时 ,

轴 在

平 面 内 , 此 时 1 v 的 正 向 必 在 轴

正 向 及

oxx

oy

1 v 1

1 1

ox

α < 0

β = 0,

轴 正 向 所 夹 角 之 内 , 否 则 R 不 能 为 能 通

过 质 心 , 故 由 配 平 攻 角 的 定 义 , 得 到

ox

1 v

ox

1 1

α < 0


关 于 配 平 攻 角 的 求 取 , 注 意 到 式 (10.90),

C , C , x

N x1

p

为 攻 角 、 马 赫 数 及 飞 行 高 度 的

函 数 。 因 此 , 对 于 一 定 的 马 赫 数 及 飞 行 高 度

下 , 若 某 一 攻 角 对 应 的

C , C , x

N x1

p

满 足

于 (10.90), 则 该 攻 角 值 就 是 再 入 航 天 器 在

该 马 赫 数 及 飞 行 高 度 下 的 配 平 攻 角 。


弹 道 —— 升 力 式 再 入 航 天 器 的 外 形 为 简 单 的

旋 成 体 , 在 再 入 飞 行 过 程 中 , 通 过 姿 态 控 制

系 统 将 再 入 航 天 器 绕 本 身 纵 轴 转 动 一 个 角

度 , 就 可 以 改 变 升 力 在 当 地 铅 重 平 面 和 水 平

平 面 的 分 量 。 因 此 , 以 一 定 的 逻 辑 程 序 控 制

滚 动 角 , 就 可 以 控 制 航 天 器 在 大 气 中 的 运 动

轨 道 。 从 而 在 一 定 范 围 内 可 以 控 制 航 天 器 的

陆 点 位 置 , 其 最 大 过 载 也 大 大 地 小 于 弹 道 式

再 入 时 的 最 大 过 载 。


3) 升 力 式 再 入 航 天 器

当 要 求 再 入 航 天 器 水 平 着 陆 时 , 例 如 航 天 飞 机 , 必 须 给 再 入 航

天 器 足 够 大 的 升 力 。 而 能 够 实 现 水 平 着 陆 的 升 力 式 再 入 航 天

器 的 升 阻 比 一 般 都 大 于 1, 也 就 是 说 升 力 大 于 阻 力 。

这 样 大 升 力 不 能 再 用 偏 离 对 称 中 心 轴 线 配 置 质 心 的 办 法 获 得 。

因 此 , 升 力 式 再 入 航 天 器 不 能 再 用 旋 成 体 , 只 能 采 用 不 对 称

的 升 力 体 。 现 有 的 和 正 在 研 制 的 升 力 式 再 入 航 天 器 , 都 是 带

翼 的 升 力 体 , 形 状 与 飞 机 相 似 , 主 要 由 机 翼 产 生 升 力 和 控 制

升 力 , 以 及 反 作 用 喷 气 与 控 制 相 结 合 的 办 法 来 控 制 它 的 机 动

飞 行 、 下 滑 和 水 平 着 陆 , 并 着 陆 到 指 定 的 机 场 跑 道 上 。

与 弹 道 —— 升 力 式 再 入 相 比 , 升 力 式 再 入 具 有 再 入 过 载 小 、 机

动 范 围 大 和 着 陆 精 度 高 的 三 个 特 点 。


10.3.2 再 入 走 廊 的 确 定

应 当 指 出 , 随 着 航 天 技 术 的 发 展 , 再 入 走 直 廊

的 定 义 已 发 展 为 多 样 化 。

例 如 , 可 将 再 入 走 廊 定 义 为 导 向 予 定 着 陆 目 标

的 “ 管 子 ”。 在 此 “ 管 子 ” 内 , 再 入 航 天 器 满 足 所

有 的 限 制 , 如 过 载 限 制 、 热 流 限 制 、 动 压 限 制

等 。


图 10.12 所 示 的 是 某 一 航 天 器 的 再 入 走 廊 示 意 图 和 在

此 走 廊 内 设 计 的 一 条 再 入 基 准 轨 道 。 图 中 v 为 飞 行 速

度 , D 为 阻 力 加 速 度 , 四 条 边 界 分 别 为 满 足 法 向 过

载 限 制 、 动 压 限 制 、 最 大 热 流 限 制 和 平 衡 滑 翔 要 求

时 , 阻 力 加 速 度 随 速 度 的 变 化 曲 线 。


对 一 事 先 装 订 好 总 攻 角 与 飞 行 速 度 的 关 系 的 航 天 器 ,

其 再 入 走 廊 的 确 定 方 法 : 根 据

1. 法 向 过 载 的 限 制

2. 动 压 的 限 制

3. 最 大 热 流 限 制

4. 平 衡 滑 翔 边 界

等 各 种 限 制 , 得 到 阻 力 加 速 度 与 飞 行 速 度 的 对 应 关

系 , 求 得 满 足 诸 条 件 的 限 制 边 界 ( 简 称 为 再 入 走 廊 的

壁 )。


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