CN116029130B - 一种商业航天事故危险等级评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种民航空域安全视角下的商业航天事故危险等级评估方法，根据亚轨道航空器解体状态，利用蒙特卡洛方法对亚轨道解体事故碎片的传播轨迹进行预测，基于解体碎片云的探测结果，对解体碎片的尺寸及质量进行估计，分离出无法完全烧蚀的碎片，并综合尺寸、质量、传播范围等方面与相应空域航路图比对，进行危险等级评估。本发明在民航空管自动化***的数据与亚轨道飞行计划的基础上，通过空管一次雷达检测、对亚轨道航空器进行监视。当亚轨道航空器突发解体事故时，可准确评估解体事故碎片的时空分布特征，考虑解体时碎片的初始状态，复杂气象条件、地球自转效应、重力场变化以及碎片属性等因素，建立准确的亚轨道航空器解体碎片场模型。
Description
技术领域
本发明属于亚轨道航空器监测预警服务技术领域，尤其是涉及一种商业航天事故危险等级评估方法。
背景技术
近年来，伴随着商业载人航天活动的蓬勃兴起，亚轨道飞行的商业化进程发展迅速。与此同时，我国的亚轨道发射活动也愈加频繁，在未来可通过使用亚轨道航空器实现高效、低成本的航班化运输能力。
国际机场理事会(ACI)预测：在2025年到来前，航空班次将增加至每年2200万次，在高峰日可达到72000次商业航班和48万次通用航空航班，部分航路航线趋近饱和。同时，亚轨道商业飞行进入快速发展期，高密度的亚轨道发射活动将对民航空域航路网络的安全运行带来极大的潜在风险，采用传统的大面积限制空域使用的方法将会造成空域资源更加紧张、管制负荷加重、航班大面积延迟等现象。据美国航空公司飞行员协会(ALPA)统计[5]，2018年2月6日，美国太空探索技术公司在佛罗里达州肯尼迪航天中心发射重型猎鹰火箭，近5000平方海里的空域受到影响，导致中断563个航班，总延误时间4645分钟，总飞行里程增加34841海里，航空公司的利益受到显著影响。
然而，当发生解体事故时，碎片在大气环境中所受的气动力具有一定的随机性，分布和落点较难预测，据FAA计算，任何超过300克碎片的撞击都会导致商用飞机100％的损毁，不足300克的碎片如果撞击到较脆弱的区域，例如飞行操纵面或燃油箱，也依然会产生损毁的后果。
亚轨道碎片分布建模是商业航天事故危险等级评估的关键技术，而有效的商业航天事故危险等级评估是实施安全的空中交通管制的前提。当前，亚轨道航空器解体碎片场模型缺少对影响碎片传播过程的关键因素，如弹道系数、阻力系数等因素的详细阐述。此外，采用蒙特卡罗方法模拟亚轨道解体事故碎片的传播过程，由于小碎片占比过大，导致模拟时巨大的运算量不能满足空中交通管制部门实时计算的效率需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种商业航天事故危险等级评估方法，该方法可以辅助减少碎片危险区预测模型的计算量，提高运算效率，为空中管制人员快速评估航路安全性提供帮助。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种商业航天事故危险等级评估方法，包括如下步骤：
步骤一：通过空管一次监视雷达对航空器进行实时监测，根据监测数据获取航空器飞行状态，当监测到飞行状态异常，采集航空器的数据；
步骤二：建立风场预测模型，对异常航空器相关空域风场进行预测；
步骤三：建立碎片生成模型，基于异常航空器的物理参数仿真碎片；
步骤四：建立碎片云演化模型，基于蒙特卡罗方法对碎片传播轨迹建模；
步骤五：建立碎片烧蚀模型，计算碎片完全烧蚀的临界质量；
步骤六：建立碎片估计模型，结合观测值对碎片云成分进行估计；
步骤七：在碎片云演化模型的基础上，结合碎片估计模型的估计结果、碎片烧蚀模型的临界质量、风场预测模型的预测结果，生成碎片预测模型；
步骤八：建立航路评估模型，将碎片传播预测结果与相应空域航路图比对，进行危险等级评估。
进一步的，所述步骤一中，当监测到飞行状态异常，采集航空器的数据包括航空器经、纬度、几何高度、航向角、航迹角、以及速度矢量。
进一步的，所述步骤二具体包括，提取飞行数据，对温度数据和风数据进行处理，进行风场重构，生成气象粒子模型，采用transformer特征抽取技术，预测虚拟相关空域中高层大气风场和民航空域风场。
进一步的，所述步骤三具体包括，解体碎片云的初始状态包括碎片数量、碎片等效直径、碎片面质比、碎片速度增量、弹道系数；
基于航空器标准解体模型，依据航空器的总质量及各材料组成的质量占比，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体后，各材料组成碎片数量和碎片等效直径的分布；
以碎片等效直径d为变量，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体碎片面质比，也就是碎片垂直于相对速度矢量的有效横截面积与碎片质量的比值；
以碎片面质比为变量，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体碎片的碎片速度增量。
以碎片等效直径和碎片面质比为变量，生成弹道系数模型，计算各碎片参数下的弹道系数数值。
进一步的，所述步骤四具体包括：将解体碎片的位置矢量和速度矢量带入碎片传播轨迹的运动方程,根据生成的解体碎片云初始状态，利用蒙特卡洛方法对碎片再入过程中所生成的数据进行统计分析,以碎片运动方程为基础，进行数值积分得到碎片传播轨迹。
进一步的，所述步骤五具体包括：解体碎片再入大气层时，大气层按照稀薄程度分为：自由流区、过渡流区、连续流区，分别计算自由流区、过渡流区、连续流区的热流大小，在标称轨迹上对热流进行积分，计算热量积累上限，进一步求解各材料碎片完全烧蚀的临界质量。
进一步的，所述步骤六具体包括：获取解体碎片云传播轨迹，同时对碎片云的观测值进行解算，生成碎片云下半轮廓边界，对下半轮廓面依高度、时间进行分解，获得各时间点、各高度层的碎片传播椭圆，
对碎片云观测结果依高度进行分解，计算不同参量碎片在碎片云截面中的等概率传播椭圆，获得各高度层的碎片传播椭圆，与预测模型在同高度下的分解结果进行对比，联合多时刻、多高度层中不同参量的传播椭圆，生成估计模型，结合碎片云轮廓的观测值，解得碎片云成分的估计值。
进一步的，所述步骤七具体包括：对碎片成分估计值中，不超过相应材料完全烧蚀的临界质量的碎片进行删除，将剩余碎片带入碎片云演化模型进行蒙特卡洛方法模拟，解得碎片预测模型。
进一步的，所述步骤八具体包括：将碎片预测结果在民航高度的最小等概率传播椭圆，与相应空域航路图进行比对，以传播椭圆与航线的最小距离作为基础标准，对航路危险等级进行评估。
相对于现有技术，本发明所述的一种商业航天事故危险等级评估方法具有以下优势：
1、本发明在民航空管自动化***的数据与亚轨道飞行计划的基础上，通过空管一次雷达检测、对亚轨道航空器进行监视；当亚轨道航空器突发解体事故时，可准确评估解体事故碎片的时空分布特征，考虑解体时碎片的初始状态，复杂气象条件、地球自转效应、重力场变化以及碎片属性等因素，建立准确的亚轨道航空器解体碎片场模型；
2、本发明鉴于对全碎片全过程使用蒙特卡洛方法仿真产生的庞大计算量不能满足应用的实时性，首先采用蒙特卡洛方法对全碎片短时仿真，完成对碎片质量成分的估计，再通过计算所得的完全烧蚀的临界质量对小质量碎片进行删除，对临界质量以上的碎片进行全过程蒙特卡洛方法仿真，大幅降低了碎片传播范围的计算量，提高了计算效率；
3、本发明的评估空域危险等级辅助空中交通管制人员对受影响空域的通行能力进行评估，减轻空中交通管理人员的工作负荷的同时，提高空中交通管理效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的方法的流程示意图；
图2为本发明的商业航天事故解体碎片生成模型的流程示意图；
图3为本发明的商业航天事故解体碎片烧蚀模型的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所述，本发明提供了一种商业航天事故危险等级评估方法，其步骤如下：
A、发现亚轨道航空器异常状态，监视异常航空器信息
空中交通管制员根据亚轨道飞行计划与空管自动化***的数据，通过空管一次监视雷达对航空器实施监测，根据监控数据获取航空器飞行状态，当监测到飞行状态异常，采集航空器经度θ0、纬度φ0、几何高度h0、航向角ψ0、航迹角γ0、速度矢量v0等数据。
B、建立风场预测模型，对异常航空器相关空域风场进行预测
空中交通管制员基于异常亚轨道航空器的位置信息和飞行路径，确定涉及的空域范围，使用相关空域的历史温度数据和风数据进行风场重构，生成气象粒子模型，采用transformer特征抽取技术，预测虚拟相关空域中高层大气风场和民航空域风场；
C、建立碎片生成模型，基于异常航空器的物理参数仿真碎片
解体碎片云的初始状态包括碎片数量N、碎片等效直径d、碎片面质比A/m、碎片速度增量Δv、弹道系数β。
空中交通管制员基于航空器标准解体模型，依航空器的总质量及各材料组成的质量占比，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体后，各材料组成碎片数量N和碎片等效直径d的分布，计算公式如下：
Nf(d)＝6sd-1.6
式中，Nf(d)为直径大于d的碎片数量；s为比例系数，通过碎片源确定；
根据航空器各材料组成的质量占比进行分段求和，生成随机数r∈[0,1]，其中ri为航空器各材料组成的质量百分数进行求和后，第i种材料对应的质量百分数区间。若r∈ri，则采用对应材料作为该碎片的材质。
以碎片等效直径d为变量，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体碎片的面质比，即碎片垂直于相对速度矢量的有效横截面积与碎片质量的比值A/m，根据分布规律进行反函数抽样法生成碎片面质比，面质比分布规律如下：
解体碎片面质比分布的概率密度分布函数满足：
ρ(χ,δ)＝α(δ)ρ1(χ)+(1-α(δ))ρ2(χ)
式中，ρi(χ)是正态分布：
ρ(χ,δ)为面质比分布的概率密度；为解体碎片的有效横截面积与碎片质量的比值；δ＝lg(d)；μi,σi分别为正态分布的均值和标准差；α(δ)∈[0,1]，为加权因子。
在解体碎片等效直径d大于11cm时，箭体碎片分布参数为：
载荷碎片分布参数为：
当载荷解体碎片等效直径小于8cm，或火箭箭体解体碎片等效直径小于1.7cm时，α(δ)＝1.0，分布参数为：
对于载荷解体碎片等效直径处在8—11cm的范围时，或火箭箭体解体碎片等效直径处在1.7-11cm的范围时，引入桥函数：
生成随机数r∈[0,1]，若r<r°，则采用单正态分布的小碎片面质比分布规律；若r>r°则采用双正态分布的小碎片面质比分布规律；
以碎片面质比对数χ为变量，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体碎片的碎片速度增量Δv，速度增量分布参数如下：
式中，ρ(V)为概率密度函数，为正态分布；V＝lg(Δv)；μ,σ为正态分布的均值与标准差。
μ＝0.2χ+1.85,σ＝0.4
以碎片等效直径d和碎片面质比A/m为变量，生成弹道系数模型，计算各碎片参数下的弹道系数β，计算公式如下：
式中，CD为阻力系数，在大气不同流区有不同取值。
D、建立碎片云演化模型，基于蒙特卡罗方法对碎片传播轨迹建模
基于获取到的异常亚轨道航空器的经度θ0、纬度φ0、几何高度h0、航向角ψ0、航迹角γ0、速度矢量v0，解体瞬间亚轨道飞行器的初始位置和初始速度分量可表示为：
则解体碎片传播轨迹的运动方程可以表示为：
其中，为碎片在ENU坐标系中的位置矢量；/>为碎片在ENU坐标系中的速度矢量；Re是地球半径；ω是解体碎片旋转角速度矢量；e3是第三标准单位向量；g是重力加速度；ξ表示的是由不确定性和干扰所引起的随机加速度矢量；aD是大气密度相关的瞬时加速度，可表示为：
式中，vrel是解体碎片的实际速度；β是解体碎片的弹道系数；ρ是大气密度。
根据生成的解体碎片云初始状态，利用蒙特卡洛方法对碎片再入过程中所生成的数据进行统计分析。假设异常状态的航空器在***解体瞬间，忽略航空器自身体积因素，则所有解体碎片的初始位置矢量相同，初始速度矢量以异常状态的航空器解体前的速度分量为基础，加上由于***解体产生的速度增量。以碎片运动方程为基础，进行数值积分得到N条碎片传播轨迹。在t时刻，可获得以下位置数据样本：
式中，xij(t),i＝1,…N,j＝1,2,3表示的是第i个碎片样本数据的第j个坐标。碎片样本数据集每列所代表的是在t时刻，N个碎片在x1、x2、x3三轴上的位置分量。样本数据的均值向量和(无偏)样本协方差矩阵可表示为：
式中，
式中，
在t时刻的碎片传播范围的最小等概率椭球曲面，即碎片云在t时刻的演化结果。
E、建立碎片烧蚀模型，计算碎片完全烧蚀的临界质量
解体碎片再入大气层时，大气层按照稀薄程度分为：自由流区、过渡流区、连续流区。解体碎片再入经过不同的大气层区域，大气层的稀薄程度不同，所以再入大气层时热流计算方法也不相同，对于过渡流区所采用的热流计算公式如下：
式中，其中，qfm为在自由流区的热流大小、qcont为在连续流区的热流大小、qtrans为在过渡流区的热流大小。
对于连续流区所采用的热流计算公式如下：
式中，ρ0＝1.225(kg/m3)；vc＝7300(m/s)；Rn为驻点曲率半径；hw壁面焓；hs驻点焓；h300K为温度300K时空气的焓值；ρ∞来流密度；v∞实际速度；
以零维烧蚀模型进行考虑：
∫Sqavdt>mCi·(Tm-T0)+m·Qm,i
其中S为碎片的表面积，m为碎片质量，Ci为第i种材料的比热，Tm为熔化温度，T0为初始温度，Qm,i为第i种材料的熔化潜热。
在标称轨迹上对热流进行积分，计算热量积累上限，进一步求解各材料碎片完全烧蚀的临界质量mburnt。
F、建立碎片估计模型，结合观测值对碎片云成分进行估计
获取解体碎片云传播轨迹，同时对碎片云的观测值进行解算，生成碎片云下半轮廓边界f(X,Y,Z,t)，其中(X,Y,Z)为边界坐标，t为传播时间；对下半轮廓面依高度、时间进行分解，获得各时间点、各高度层的碎片传播椭圆：
其中(Xt,i,Yt,i,Zt,i)表示在t时刻，第i个高度层的碎片传播椭圆的轮廓线方程；hi为第i个高度层的海拔高度；(a,b,θ)为椭圆方程参数；
对t时刻的碎片云观测结果依高度进行分解，计算不同参量碎片在碎片云截面中的等概率传播椭圆，获得各高度层的碎片传播椭圆。与上述步骤D中的仿真模型在同高度下的分解结果进行对比，联合多时刻、多高度层中不同参量的传播椭圆，生成估计模型，结合碎片云轮廓的观测值，解得碎片云成分的估计值。
G、在碎片云演化模型的基础上，生成碎片预测模型
对碎片成分估计值中，不超过相应材料完全烧蚀的临界质量mburnt,i的碎片进行删除，将剩余碎片带入碎片云演化模型进行蒙特卡洛方法模拟，解得碎片预测模型。
H、建立航路评估模型，进行危险等级评估
将碎片预测结果在民航高度的最小等概率传播椭圆，与相应空域航路图进行比对，以传播椭圆与航线的最小距离作为基础标准，对航路危险等级进行评估。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种商业航天事故危险等级评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：通过空管一次监视雷达对航空器进行实时监测，根据监测数据获取航空器飞行状态，当监测到飞行状态异常，采集航空器的数据；
步骤二：建立风场预测模型，对异常航空器相关空域风场进行预测；
步骤三：建立碎片生成模型，基于异常航空器的物理参数仿真碎片；
步骤四：建立碎片云演化模型，基于蒙特卡罗方法对碎片传播轨迹建模；
步骤五：建立碎片烧蚀模型，计算碎片完全烧蚀的临界质量；
解体碎片再入大气层时，大气层按照稀薄程度分为：自由流区、过渡流区、连续流区，解体碎片再入经过不同的大气层区域，大气层的稀薄程度不同，所以再入大气层时热流计算方法也不相同，对于过渡流区所采用的热流计算公式如下：
式中，其中，qfm为在自由流区的热流大小、qcont为在连续流区的热流大小、qtrans为在过渡流区的热流大小；；
对于连续流区所采用的热流计算公式如下：
式中，ρ0＝1.225(kg/m3)；vc＝7300(m/s)；Rn为驻点曲率半径；hw壁面焓；hs驻点焓；h300K为温度300K时空气的焓值；ρ∞来流密度；v∞实际速度；
以零维烧蚀模型进行考虑：
∫Sqavdt>mCi·(Tm-T0)+m·Qm,i
其中S为碎片的表面积，m为碎片质量，Ci为第i种材料的比热，Tm为熔化温度，T0为初始温度，Qm,i为第i种材料的熔化潜热；
在标称轨迹上对热流进行积分，计算热量积累上限，进一步求解各材料碎片完全烧蚀的临界质量mburnt；
步骤六：建立碎片估计模型，结合观测值对碎片云成分进行估计；
获取解体碎片云传播轨迹，同时对碎片云的观测值进行解算，生成碎片云下半轮廓边界f(X,Y,Z,t)，其中(X,Y,Z)为边界坐标，t为传播时间；对下半轮廓面依高度、时间进行分解，获得各时间点、各高度层的碎片传播椭圆：
其中(Xt,i,Yt,i,Zt,i)表示在t时刻，第i个高度层的碎片传播椭圆的轮廓线方程；hi为第i个高度层的海拔高度；(a,b,θ)为椭圆方程参数；
对t时刻的碎片云观测结果依高度进行分解，计算不同参量碎片在碎片云截面中的等概率传播椭圆，获得各高度层的碎片传播椭圆；与碎片云演化模型在同高度下的分解结果进行对比，联合多时刻、多高度层中不同参量的传播椭圆，生成估计模型，结合碎片云轮廓的观测值，解得碎片云成分的估计值；
步骤七：在碎片云演化模型的基础上，结合碎片估计模型的估计结果、碎片烧蚀模型的临界质量、风场预测模型的预测结果，生成碎片预测模型；
对碎片成分估计值中，不超过相应材料完全烧蚀的临界质量mburnt,i的碎片进行删除，将剩余碎片带入碎片云演化模型进行蒙特卡洛方法模拟，解得碎片预测模型；
步骤八：建立航路评估模型，将碎片传播预测结果与相应空域航路图比对，进行危险等级评估。
2.根据权利要求1所述的一种商业航天事故危险等级评估方法，其特征在于：所述步骤一中，当监测到飞行状态异常，采集航空器的数据包括航空器经度、纬度、几何高度、航向角、航迹角、以及速度矢量。
3.根据权利要求1所述的一种商业航天事故危险等级评估方法，其特征在于：所述步骤二具体包括，提取飞行数据，对温度数据和风数据进行处理，进行风场重构，生成气象粒子模型，采用transformer特征抽取技术，预测虚拟相关空域中高层大气风场和民航空域风场。
4.根据权利要求1所述的一种商业航天事故危险等级评估方法，其特征在于：所述步骤三具体包括，解体碎片云的初始状态包括碎片数量、碎片等效直径、碎片面质比、碎片速度增量、弹道系数；
基于航空器标准解体模型，依据航空器的总质量及各材料组成的质量占比，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体后，各材料组成碎片数量和碎片等效直径的分布；
以碎片等效直径d为变量，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体碎片面质比，也就是碎片垂直于相对速度矢量的有效横截面积与碎片质量的比值；
以碎片面质比为变量，通过反函数抽样法生成亚轨道航空器解体碎片的碎片速度增量；
以碎片等效直径和碎片面质比为变量，生成弹道系数模型，计算各碎片参数下的弹道系数数值。
5.根据权利要求1所述的一种商业航天事故危险等级评估方法，其特征在于：所述步骤四具体包括：将解体碎片的位置矢量和速度矢量带入碎片传播轨迹的运动方程,根据生成的解体碎片云初始状态，利用蒙特卡洛方法对碎片再入过程中所生成的数据进行统计分析,以碎片运动方程为基础，进行数值积分得到碎片传播轨迹。
6.根据权利要求1所述的一种商业航天事故危险等级评估方法，其特征在于：所述步骤八具体包括：将碎片预测结果在民航高度的最小等概率传播椭圆，与相应空域航路图进行比对，以传播椭圆与航线的最小距离作为基础标准，对航路危险等级进行评估。
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