CC BY
18Получение параметров атмосферы вдоль траектории полета отделяемых частей ракет-носителей посредством методов температурно-ветрового и ракетного зондирования атмосферы
Позняков Павел Владимирович
старший преподаватель кафедры 515, ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»
Запуски космических аппаратов сопровождаются падением отделяющихся частей ракет-носителей на поверхность Земли. Выделяемые для их приема территории имеют ограниченные площади. Для повышения точности попадания отделяющихся частей ракет-носителей в заданные районы, необходимо иметь точные данные о параметрах атмосферы в этих районах. В статье предложен способ получения параметров атмосферы вдоль траектории полета отделяемых частей ракет-носителей. Данные получаются методом температурно-ветрового и ракетного зондирования атмосферы. Способ определения основывается на сочетании реальной информации о зондировании в пределах нижней тропосферы и неизвестных параметров атмосферы на вышележащих уровнях на основе данных параметров атмосферы прошлых лет с искомыми параметрами на заданной высоте. Ключевые слова: параметры атмосферы, отделяющиеся части, ракетное зондирование, аэрологическая информация.
Введение
Наиболее достоверными способами получения информации о вертикальном профиле параметров атмосферы являются методы температурно-ветрового и ракетного зондирования атмосферы [1]. Первый из них позволяет получать метеоинформацию до высот около 30 км, второй до высот 100 км. Результаты измерения получаются с использованием технических средств (радиозондов и метеорологических ракет), позволяющих дистанционно проводить измерения параметров атмосферы.
Способы получения параметров атмосферы
Проведённые исследования показали, что для определения координат падения отделяющихся частей ракет-носителей (ОЧ РН) необходимо знание параметров атмосферы до высот верхней границы мезосферы (около 100 километров). Наибольшее влияние на ОЧ РН термодинамические параметры атмосферы и ветер оказывают на высотах 0-50 км.
Для разработки способа определения параметров атмосферы вдоль траектории полёта ОЧ РН проанализированы современные возможности аэрологических сетей Российской Федерации (РФ) и станций ракетного зондирования атмосферы. На рис. 1 представлена совместная схема расположения полей падения ОЧ РН и станций аэрологического зондирования атмосферы РФ. На схеме станции аэрологического зондирования обозначены синими треугольниками.
Из анализа схемы следует, что поля падения (большая их часть) сосредоточены в восточной части республики Казахстан (Карагандинская обл., Павлодарская и Усть-Каменогорская обл.) и прилегающим к ним областям РФ. В рассматриваемом районе сосредоточено 7 аэрологических станций на расстоянии от 500 до 800 км друг от друга. Аэрологические станции на территории РФ расположены более «тесно», что позволяет использовать фактическую аэрологическую инфор-
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю 8
M О
to
а>
о
см
00 О!
О Ш
т
X
3
<
т о х
X
мацию с данных сетей для определения параметров атмосферы вдоль траектории полёта ОЧ РН.
На рис. 2-4 по данным Центральной Аэрологической Обсерватории представлены средние высоты радиозондирования по территории РФ и за 2018 год. Видно, что средняя высота зондирования колеблется в интервале от 20 до 28 километров, что недостаточно для определения параметров атмосферы по высотам полёта ОЧ РН.
Рисунок 1 - Совместная схема расположения полей падения ОЧ РН и станций аэрологического зондирования
Рисунок 2 - Средняя высота зондирования за 1 квартал 2018 года
Рисунок 4 - Средняя высота зондирования в августе 2018 года
Для дальнейшего изучения распределения параметров атмосферы по высотам необходимы данные ракетных наблюдений. Однако сеть ракетного зондирования атмосферы, функционировавшая в СССР (насчитывала четыре станции: о.Хейса, о.Белый, Волгоград, Балхаш, см. рис. 5), регулярных измерений не производит.
Рисунок 3 -года
Средняя высота зондирования за 2 квартал 2018
Рисунок 5 - Сеть станций ракетного зондирования
В настоящее время зондирование не регулярно производится лишь на станциях о. Хейса и Волгоград. В качестве примера на рис. 6 в графическом виде представлены результаты ракетного зондирования атмосферы на станции Волгоград.
Таким образом, регулярная фактическая аэрологическая информация выше 25-30 км в районах падения ОЧ РН отсутствует. Ввиду этого при разработке способа определения параметров атмосферы вдоль траектории полёта ОЧ РН предполагается использовать режимную (климатическую) информацию о структуре метеорологических полей в свободной атмосфере [2], полученную по результатам обработки данных ракетного зондирования по станциям Волгоград и Балхаш за период до 1995 года.
Волгоград (4в,7СШ; 44ЛВД) 29 января г. 10:00
0 400 8СО 1200
зональная составляющая
Мсрндиомапычле
Плзгнопь [ги"Э]
140 200 240 зео 3» -20 0 20 40 Температура [К| Скорость ветра [мгсеи!
4« 800 1200
[та!
Значения параметров атмосферы в заданной точке траектории движения ОЧ РН определяется интерполяцией значений параметров атмосферы на ниже- и вышележащих стандартных изобарических поверхностях (блок 6).
Рисунок 6 - Результаты ракетного зондирования атмосферы на станции Волгоград
В основе предлагаемого способа определения параметров атмосферы лежат следующие положения:
- термодинамические параметры и составляющие ветра в пределах тропосферы и нижней стратосферы определяются по результатам тем-пературно-ветрового зондирования атмосферы интерполяцией в заданную точку пространства;
- неизвестные параметры атмосферы на вышележащих уровнях вычисляются по известным значениям параметров атмосферы на нижележащих уровнях и статистическим характеристикам связи (корреляционные моменты, корреляционные функции) данных параметров атмосферы с искомыми на заданной высоте [3].
Блок-схема алгоритма способа определения параметров атмосферы вдоль траектории полёта отделяемых частей ракет-носителей по результатам температурно-ветрового зондирования в районах полей падения представлена на рис. 7.
Для реализации способа определения параметров атмосферы необходимы данные о траектории движения ОЧ РН, поставляемые отделом баллистического обеспечения (блок 1). На основе аэрологических измерений параметров атмосферы, проведённых в районах падения ОЧ РН станциями аэрологической сети Росгидромета или станциями других организаций (блок 2), в каждой точке траектории (блок 3) производится расчёт термодинамических параметров атмосферы и ветра. Если точка траектории движения ОЧ РН, в которой необходимо определить параметры атмосферы, находится на высоте, превышающей высоту последней стандартной изобарической поверхности (блок 4), то значение параметра атмосферы экстраполируется (блок 5) на вышележащую стандартную изобарическую поверхность по известным значениям параметров атмосферы на нижележащих стандартных изобарических поверхностях и статистическим характеристикам связи (корреляционные моменты, корреляционные функции) данных параметров атмосферы с искомыми на заданной поверхности.
Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма способа определения параметров атмосферы вдоль траектории полёта ОЧ РН по результатам температурно-ветрового зондирования в районах полей падения
Результатом проведенных операций будут распределения заданных параметров атмосферы по соответствующим высотам.
Для оценивания влияния параметров атмосферы на рассеяние ОЧ РН необходимо оценить величину вариаций значений термодинамических параметров атмосферы и скорости ветра в каждой точке траектории движения ОЧ РН.
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю 8
М О
Всякую величину, характеризующую состояние атмосферы, можно представить как сумму неслучайной и случайной составляющих. Значение измеряемого параметра атмосферы может быть представлено в виде суммы результата измерения и погрешности измерения данным устройством. Величина погрешности зависит от положенного в основу принципа определения значения параметра атмосферы, метода измерения, диапазона измерения и т.д.
Таким образом, вариации значений параметров атмосферы определяются погрешностью измерений технического средства, с помощью которого производились измерения параметров атмосферы. Диапазоны измерений и погрешности отечественных радиозондов по термодинамическим параметрам приведены в табл. 1.
Заключение
Исходя из допущения о нормальном виде закона распределения параметров атмосферы с помощью математического моделирования (блок 7) в каждой точке траектории движения ОЧ РН определяется совокупность значений (вектор) заданного параметра атмосферы.
Совокупность профилей термодинамических параметров атмосферы и скорости ветра подлежит выдаче потребителю в виде электронных таблиц (блок 8).
Литература
1. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд./ С.А.Айвазян, И.С.Енюков, Л.Д.Мешалкин. - М.: Финансы и статистика, 1983.471 с.
2. Атмосфера стандартная. (Параметры. ГОСТ 4401-81). М.: Издательство стандартов,1981.-180 с.
3. Петров К.П, Аэродинамика транспортных космических систем. М.: Эдиториал УРСС, 2000. -366 с.
Obtaining atmospheric parameters along the flight path of the separated parts of launch vehicles by means of temperature-wind and rocket sounding of the atmosphere Poznyakov P.V.
Moscow Aviation Institute (National Research University) The launches of spacecraft are accompanied by the fall of the separating parts of launch vehicles to the surface of the Earth. The territories allocated for their admission have limited areas. In order to increase the accuracy of the release of the separating parts of launch vehicles in the specified areas, it is necessary to have accurate data on the atmospheric parameters in these areas. The article proposes a method for obtaining atmospheric parameters along the flight path of the separated parts of launch vehicles. The data are obtained by the method of temperature-wind and rocket sounding of the atmosphere. The determination method is based on a combination of real sounding information within the lower troposphere and unknown atmospheric parameters at higher levels based on data from past atmospheric parameters with the desired parameters at a given height. Keywords: atmospheric parameters, separated parts, rocket sounding, upper-air information.
References
1. Applied statistics: Fundamentals of modeling and primary data
processing. Reference ed./ S.A. Ayvazyan, I.S. Enyukov, L.D. Meshalkin. - M.: Finance and Statistics, 1983.- 471 p.
2. The atmosphere is standard. (Parameters. GOST 4401-81). M .:
Publishing house of standards, 1981.-180 p.
3. Petrov KP, Aerodynamics of transport space systems. M.: Editorial URSS, 2000 .-- 366 p.
Таблица 1
Диапазоны и погрешности измерений термодинамических параметров атмосферы отечественных радиозондов
Диапазон измерений Погрешности измерений
Тип ради- температу- относитель- СКО темпе- относитель-
озонда ры, ном влажно- ратуры, ном влажно-
°С сти, % °С сти, %
МАРЗ-2-2 -80 - 50 15 - 98 <0,5 <15
МРЗ-3А -80 - 50 15 - 100 <0,4 <10
МРЗ-3АМ -80 - 50 10 - 100 <0,4 <7
о>
о
сч
00 OI
О Ш
m
X
<
m О X X
