大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。

近空间连续流区航天器残骸解体分离落点散布数值预测研究

为建立对航天器破碎解体过程的模拟方法,基于非结构直角网格系统,采用弹性变形-重构耦合的动网格技术捕捉复杂运动过程,结合自主研发的非定常CFD数值方法,发展了综合考虑静态气动和动稳定性影响的仿真方法,实现了对航天器破碎、解体、分离及残骸陨落过程的模拟仿真。采用该方法对助推器自30 km高度陨落过程仿真,与飞行试验雷达测量数据对比,两者基本吻合。对整流罩陨落、大型航天器破碎解体过程进行模拟,考虑风场、气动偏差、初始状态偏差以及其他复杂工况条件对最终落点的影响,各算例显示该方法可高效预报航天器残骸陨落过程及落区,并具有较高精度和可信度。

青海省一次降水过程的数值模式预报及误差分析

基于高空实况和数值模式资料,对2020年5月5-6日期间发生在青海省的一次降水天气过程就降水实况、各模式降水落区、降水及温度预报偏差等方面进行了分析,结果表明:EC模式预报相对稳定,GRAPES-GFS与实况更靠近,NCEP模式预报仍然偏弱。对于降水落区预报来说GRAPES-GFS的24h预报降水落区和降水量级更准确,对于降水和最高、最低气温预报准确率,整体来看GRAPES3km准确率最高,其次是GRAPES-GFS,再次是EC-thin,NCEP准确率最低。