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液体火箭爆炸碎片散布范围的确定方法
申请号	CN200410081539.0	申请日	2004-12-21	公开(公告)号	CN1796230A	公开(公告)日	2006-07-05
申请人	西昌卫星发射中心; 重庆大学;			发明人	周敏; 柴毅; 李尚福; 高波; 张志芬; 魏洪波; 郭茂耘;
摘要	本发明涉及的一种液体火箭爆炸碎片散布范围的确定方法，包括(1)建立一套与火箭飞行航区相适应的地理信息系统，(2)建立火箭爆炸碎片的分类信息；(3)确定火箭发生爆炸时的状态；(4)确定火箭爆炸模式，(5)确定火箭爆炸威力；(6)确定爆炸碎片初始速度的方法，(7)爆炸碎片受力分析及落点的确定；(8)确定并显示爆炸碎片的散布范围。本发明由于所述方法而具有如下的积极效果：能够为发射场附近居民的疏散，为事故救援、现场搜索提供依据。方法在预测结果上具有一定的可靠性和准确性。
权利要求	1、一种液体火箭爆炸碎片散布范围的确定方法，其特征是：方法包括： (1)建立一套与火箭飞行航区相适应的地理信息系统，包括： ①、将火箭飞行航区的地形数字化，基于数字化的地形数据及火箭飞行航区的城市、道路、厂矿、学校、人口信息建立一套地理信息系统； ②、将数字化的地形数据映射到发射坐标系中，对应地面的任意一个点(Lk，Bk，Hk)，均能确定其在发射坐标系中的坐标(xk，yk，zk)，其中：Lk、 Bk、Hk分别为地面上某个点的大地经度、大地纬度、大地高程，xk、yk、 zk分别为该点在发射坐标系中的3个坐标分量； ③、接收、处理、记录火箭飞行过程中的遥测数据和外弹道测量数据； (2)、建立火箭爆炸碎片的分类信息根据以往爆炸事故后搜索到的碎片，按其外形和来源将其分为片状碎片、短粗形碎片、管状碎片、不规则形碎片；然后对每种碎片按其重量进行再次分类，对每种碎片分别测量其受力面积A、质量mp、密度ρ、阻力系数CD，升力系数CL，飞行时的攻角α，将以上信息进行存储； (3)、确定火箭发生爆炸时的状态根据接收到的外道测量数据和遥测数据，确定火箭发生爆炸的时刻、所处的位置、飞行的速度和剩余的推进剂质量； (4)、确定火箭爆炸模式依据接收到的外道测量数据和遥测数据，结合地理信息系统中的地形数据，确定火箭发生爆炸的模式，按照确定火箭爆炸威力的需要，分为地面爆炸和空中爆炸两种； (5)、确定火箭爆炸威力爆炸威力用当量来表示，爆炸威力等于推进剂总量乘以当量系数，当量系数取值如下，以四氧化二氮加偏二甲肼作推进剂时，地面爆炸取0.1，空中爆炸取0.05；以液氢加液氧作推进剂时取0.6；发生空中爆炸时爆炸威力的计算公式为： MTNT＝Mln×0.05+Mll×0.6 (I) 发生地面爆炸时爆炸威力的计算公式为： MTNT＝Mln×0.1+Mll×0.6 (II) 式中，MTNT为爆炸等效的TNT当量，是待求解的量，Mln为爆炸发生时火箭上剩余的常规推进剂质量，Mll为爆炸发生时火箭上剩余的低温推进剂质量；确定爆炸威力后，可以获得爆炸冲击波的各项参数，如比冲量is，侧向压力ps，用于确定冲击波对碎片的加速作用； (6)、确定爆炸碎片初始速度的方法爆炸碎片在爆炸中获得的速度来源有两个，第一是推进剂贮箱爆裂时碎片受高压气体作用而加速，第二是爆炸冲击波对碎片的加速作用，采用如下公式确定碎片受高压气体作用而获得的初始速度： $\{\begin{matrix} u = \overline{U} k a_{q} \\ \lg \overline{U} = 1.2 \lg \overline{P} + 0.91 \\ \overline{P} = \frac{({p - p}_{0}) V_{0}}{M_{C} a_{q}^{2}} \\ k = 1.25 m_{p} / m_{c} + 0.375 \end{matrix} - - - (III)$ 公式(III)中，u为碎片获得的速度，是需要求解的量， U、 P、k为中间变量、aq为常数是爆炸产生的气体中的音速，p为常数是推进剂贮箱的耐压、p0为常数是爆炸发生位置的大气压力、V0为常数是推进剂贮箱的容积、MC为常数是推进剂贮箱的质量、mp为(2)中所确定的碎片的质量；上式(III)即可求得碎片受高压气体作用而获得的速度u；采用如下公式确定碎片受爆炸冲击波作用而获得的速度： $v = \frac{p_{0} i_{s} C_{D} A}{m_{p} p_{s}} - - - (IV)$ 公式(IV)中，v为碎片受冲击波作用而获得的速度，是需要求解的量、p0为常数是爆炸发生位置的大气压力、is为(5)中可以确定的参数是爆炸冲击波的比冲量，已知，CD为(2)中可以确定的碎片阻力系数，已知；A为(2)中所确定的碎片受力面积；已知。mp为(2)中所确定的碎片顾量，已知；ps为(5)中可以确定的参数，是爆炸冲击波的侧向压力，已知：利用已知条件代入上述方程即可求解碎片受冲击波作用而获得的速度v；确定了碎片受高压气体作用而获得的速度u和碎片受冲击波作用而获得的速度v，已和爆炸发生时刻火箭的飞行速度V，即可按矢量合成向不同方向投射出去的碎片速度Vp，按矢量合成速度的公式如下： ${\vec{V}}_{p} = \vec{V} + \vec{u} + \vec{v} - - - (V)$ (7)、爆炸碎片受力分析及落点确定方法对爆炸碎片进行受力分析，考虑碎片速度方向在oxy平面的情况，内可列出碎片飞行的微分方程组如下： $\{\begin{matrix} \overset{\cdot \cdot}{X} = - \frac{{AC}_{D} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{2 m_{p}} casα + \frac{{AC}_{L} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{2 m_{p}} \sin α \\ \overset{\cdot \cdot}{Y} = - g - \frac{{AC}_{D} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{{2 m}_{p}} \sin α + \frac{{AC}_{L} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{{2 m}_{p}} \cos α \end{matrix} - - - (VI)$ 方程组中，为碎片飞行时在x方向的加速度，为碎片飞行时在x 方向的速度，为碎片飞行时在y方向的加速度，为碎片飞行时在y方向的速度，A为(2)中所确定的碎片受力面积，已知，CD为(2)中可以确定的碎片阻力系数，已知；CL为(2)中可以确定的碎片升力系数，已知， ρ为(2)中可以确定的碎片密度，已知；mp为(2)中可以确定的碎片质量，已知；α为(2)中可以确定的碎片飞行时攻角，已知；由于爆炸发生后碎片的初始位置(x0，y0，0)已知，初始速度已知，因此可以用迭代法求解碎片飞行中各个时刻的位置(xt，yt，0)，并与地理信息系统中的地形数据(xt，yl，0)进行比较，用迭代法确定出yt＝yl时停止迭代计算，碎片已落到地面，碎片的落点坐标为(xt，yt，0)；对于初始速度不在oxy平面内的碎片，首先根据爆炸瞬时速度V确定其与xy平面的夹角为γ，然后用迭代法确定碎片的落点坐标(xtcosγ， yt，xtsinγ)； (8)、确定爆炸碎片的散布范围分别确定片状碎片、短粗形碎片、管状碎片、不规则形碎片在爆炸发生后的始速度，并按不同的方向进行速度合成，反复进行迭代计算求解并记录其落点，最后对记录的落点进行统计，确定爆炸碎片的散布范围，在地理信息系统中显示出来。
说明书全文	所属技术领域一种确定液体火箭爆炸碎片散布范围的方法，是关于液体火箭爆炸碎片散布理论性和应用性结合的技术，包括一套地理信息系统，一种确定爆炸碎片散布的方法，并接入发射指挥控制中心指挥显示网络使用。随着卫星(导弹)发射任务的增多和推进剂用量的加大，发射试验事故爆炸危害性，特别是爆炸碎片散布对工作人员和设备、建筑构成重大威胁，该方法为发射场附近居民的疏散、事故发生时的搜索救援工作提供依据。背景技术对于液体推进剂火箭爆炸碎片散布范围的预测和确定具有非常重要的安全意义。国内外均采用缩比实验的方式进行，美国曾经多次做运载火箭的缩比实验，国内也曾经针对CZ-2E/2F火箭做缩比实验，但是大比例的缩比实验置信度不高，而且只适用于火箭在发射台上爆炸的情况，对于火箭在空中爆炸的情况则无法确定。发明的内容本发明的目的是提供一种确定液体火箭爆炸碎片散布范围的方法，对国内各种型号液体火箭在飞行过程中发生爆炸时的碎片散布情况进行预测，为发射场附近居民的疏散提供依据，在发生爆炸事故时快速确定爆炸碎片的散布范围，为事故救援、现场搜索提供依据。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的，即一种液体火箭爆炸碎片散布范围的确定方法，其特征是：方法包括： (1)建立一套与火箭飞行航区相适应的地理信息系统，包括： ①、将火箭飞行航区的地形数字化，基于数字化的地形数据及火箭飞行航区的城市、道路、厂矿、学校、人口信息建立一套地理信息系统； ②、将数字化的地形数据映射到发射坐标系中，对应地面的任意一个点(Lk，Bk，Hk)，均能确定其在发射坐标系中的坐标(xk，yk，zk)，其中：Lk、 Bk、Hk分别为地面上某个点的大地经度、大地纬度、大地高程，xk、yk、 zk分别为该点在发射坐标系中的3个坐标分量； ③、接收、处理、记录火箭飞行过程中的遥测数据和外弹道测量数据； (2)、建立火箭爆炸碎片的分类信息根据以往爆炸事故后搜索到的碎片，按其外形和来源将其分为片状碎片、短粗形碎片、管状碎片、不规则形碎片；然后对每种碎片按其重量进行再次分类，对每种碎片分别测量其受力面积A、质量mp、密度ρ、阻力系数CD，升力系数CL，飞行时的攻角α，将以上信息进行存储； (3)、确定火箭发生爆炸时的状态根据接收到的外道测量数据和遥测数据，确定火箭发生爆炸的时刻、所处的位置、飞行的速度和剩余的推进剂质量；参数均作为确定火箭爆炸碎片的初始条件，其中： T-爆炸发生的时刻，单位(s)； Xf，Yf，Zf-爆炸发生时火箭在发射坐标系中的位置分量，单位(m)； V，Vxf，Vyf，Vzf-爆炸发生时火箭在发射坐标系中的速度和3个坐标方向的速度分量，单位(m/s)； M1n-爆炸发生时火箭上剩余的常规推进剂质量，单位(kg)； M11-爆炸发生时火箭上剩余的低温推进剂质量，单位(kg)。 (4)、确定火箭爆炸模式依据接收到的外道测量数据和遥测数据，结合地理信息系统中的地形数据，确定火箭发生爆炸的模式，按照确定火箭爆炸威力的需要，分为地面爆炸和空中爆炸两种； (5)、确定火箭爆炸威力爆炸威力用当量来表示，爆炸威力等于推进剂总量乘以当量系数，当量系数取值如下，以四氧化二氮加偏二甲肼作推进剂时，地面爆炸取0.1，空中爆炸取0.05；以液氢加液氧作推进剂时取0.6；发生空中爆炸时爆炸威力的计算公式为： MTNT＝M1n×0.05+M11×0.6 (I) 发生地面爆炸时爆炸威力的计算公式为： MTNT＝M1n×0.1+M11×0.6 (II) 式中，MTNT为爆炸等效的TNT当量，是待求解的量，M1n为爆炸发生时火箭上剩余的常规推进剂质量，M11为爆炸发生时火箭上剩余的低温推进剂质量；确定爆炸威力后，可以获得爆炸冲击波的各项参数，如比冲量is，侧向压力ps，用于确定冲击波对碎片的加速作用； (6)、确定爆炸碎片初始速度的方法爆炸碎片在爆炸中获得的速度来源有两个，第一是推进剂贮箱爆裂时碎片受高压气体作用而加速，第二是爆炸冲击波对碎片的加速作用，采用如下公式确定碎片受高压气体作用而获得的初始速度： $\{\begin{matrix} u = \overline{U} {ka}_{q} \\ \lg \overline{U} = 1.2 \lg \overline{P} + 0.91 \\ \overline{P} = \frac{(p - p_{0}) V_{0}}{M_{C} a_{q}^{2}} \\ k = 1.25 m_{p} / m_{c} + 0.375 \end{matrix} - - - (III)$ 公式(III)中，u为碎片获得的速度，是需要求解的量， U、 P、 k为中间变量、aq为常数是爆炸产生的气体中的音速，p为常数是推进剂贮箱的耐压、p0为常数是爆炸发生位置的大气压力、V0为常数是推进剂贮箱的容积、Mc为常数是推进剂贮箱的质量、mp为(2)中所确定的碎片的质量；上式(III)即可求得碎片受高压气体作用而获得的速度u；采用如下公式确定碎片受爆炸冲击波作用而获得的速度： $v = \frac{p_{0} i_{s} C_{D} A}{m_{p} p_{s}} - - - (IV)$ 公式(IV)中，v为碎片受冲击波作用而获得的速度，是需要求解的量、p0为常数是爆炸发生位置的大气压力、is为(5)中可以确定的参数是爆炸冲击波的比冲量，已知。CD为(2)中可以确定的碎片阻力系数，已知；A为(2)中所确定的碎片受力面积；已知。mp为(2)中所确定的碎片质量，已知；ps为(5)中可以确定的参数，是爆炸冲击波的侧向压力，已知；利用已知条件代入上述方程即可求解碎片受冲击波作用而获得的速度v；确定了碎片受高压气体作用而获得的速度u和碎片受冲击波作用而获得的速度v，已和爆炸发生时刻火箭的飞行速度V，即可按矢量合成向不同方向投射出去的碎片速度Vp，按矢量合成速度的公式如下： ${\vec{V}}_{p} = \vec{V} + \vec{u} + \vec{v} - - - (V)$ (7)、爆炸碎片受力分析及落点确定方法对爆炸碎片进行受力分析，考虑碎片速度方向在oxy平面的情况，内可列出碎片飞行的微分方程组如下： $\{\begin{matrix} \overset{\cdot \cdot}{X} = - \frac{A C_{D} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{2 m_{p}} \cos α + \frac{{AC}_{L} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{2 m_{p}} \sin α \\ \overset{\cdot \cdot}{Y} = - g - \frac{A C_{D} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{2 m_{p}} \sin α + \frac{A C_{L} ρ ({\overset{\cdot}{X}}^{2} + {\overset{\cdot}{Y}}^{2})}{2 m_{p}} \cos α \end{matrix} - - - (VI)$ 方程组中，为碎片飞行时在x方向的加速度，为碎片飞行时在x 方向的速度，为碎片飞行时在y方向的加速度，为碎片飞行时在y方向的速度，A为(2)中所确定的碎片受力面积，已知，CD为(2)中可以确定的碎片阻力系数，已知；CL为(2)中可以确定的碎片升力系数，已知， ρ为(2)中可以确定的碎片密度，已知；mp为(2)中可以确定的碎片质量，已知；α为(2)中可以确定的碎片飞行时攻角，已知；由于爆炸发生后碎片的初始位置(x0，y0，0)已知，初始速度已知，因此可以用迭代法求解碎片飞行中各个时刻的位置(xt，yt，0)，并与地理信息系统中的地形数据(xt，y1，0)进行比较，用迭代法确定出yt＝y1时停止迭代计算，碎片已落到地面，碎片的落点坐标为(xt，yt，0)；对于初始速度不在oxy平面内的碎片，首先根据爆炸瞬时速度V确定其与xy平面的夹角为γ，然后用迭代法确定碎片的落点坐标(xtcosγ， yt，xtsinγ)； (8)、确定爆炸碎片的散布范围分别确定片状碎片、短粗形碎片、管状碎片、不规则形碎片在爆炸发生后的始速度，并按不同的方向进行速度合成，反复进行迭代计算求解并记录其落点，最后对记录的落点进行统计，确定爆炸碎片的散布范围，在地理信息系统中显示出来。技术效果本发明由于所述方法而具有如下的积极效果： (1)、利用本发明可以对国内各种型号液体火箭在飞行过程中发生爆炸时的碎片散布情况进行预测，为发射场附近居民的疏散提供依据； (2)、利用本发明还可以实时接收火箭飞行过程中的外弹道测量数据和遥测数据，在发生爆炸事故时快速确定爆炸碎片的散布范围，为事故救援、现场搜索提供依据； (3)、利用本发明的确定方法对国内某发射场两次爆炸事故的碎片散布情况进行预测，其结果与实际情况较为吻合； (4)、对某型号火箭按理论弹道飞行时，各飞行时刻发射爆炸时的碎片散布情况见附表1。该型号火箭在某次发射过程中于飞行相对时50s发生爆炸，其爆炸碎片散布情况见附图2。附图说明附图1为本发明方法的流程图。附图2为国内某型号火箭飞行相对时50s发生爆炸时碎片散布范围实际散布情况与本发明确定的散布情况对比图，图中，三角形、长方形及圆形标志为实际事故中助推器、卫星、火箭主要残骸的落点，矩形虚线框为利用本发明方法确定的散布范围。结果表明爆炸时碎片散布范围与本发明方法预测的范围基本吻合。附图3为利用本发明方法确定的某型号火箭按理论弹道飞行时，各飞行时刻发生爆炸时的碎片散布情况对照表。根据该表，就可以预测该型号火箭发射后可能发生爆炸时的碎片散布的范围。具体实施方式实施例1 建立与火箭飞行航区相适应的地理信息系统采用1台高性能图形工作站作为硬件平台，研制与之配套的地理信息系统软件，软件流程见附图1。使用MapGis软件完成地形数字化，使用 Creator terrain软件依据数字化的地形数据生成地形模型，使用MultiGen vego软件显示飞行航区的地形信息以及火箭飞行航区的城市、道路、厂矿、学校、人口信息。将系统接入发射指挥控制中心的指挥显示网络，接收、处理、存贮火箭飞行过程中的遥测数据和外弹道测量数据。实施例2 对火箭爆炸碎片进行分类根据以往爆炸后搜索到的碎片，按其外形和来源将其分为片状碎片、短粗形碎片、管状碎片、不规则形碎片。然后对每种碎片按其重量分为1kg 以下、10kg以下、100kg以下、100kg以上几种，对每种碎片分别测量其阻力面积、质量、密度并建立火箭爆炸碎片分类数据库。实施例3 确定火箭发生爆炸时的状态在火箭飞行过程中，对接收到的外道测量数据和遥测数据进行记录，并进行处理。在爆炸发生后根据外弹道测量数据和遥测数据最后的有效时间判断火箭发生爆炸的时刻，确定火箭发生爆炸时所处的位置和飞行的速度，根据遥测数据中的剩余液位确定火箭爆炸时贮箱中剩余的推进剂质量。实施例4 确定火箭的爆炸模式在爆炸发生后，将实施例3中确定的火箭发生爆炸时的位置与实施例 1中对应的地面高程进行比较，如果火箭爆炸点的坐标与对应地面坐标的高程差小于100m，则确定火箭发生地面爆炸，否则火箭发生空中爆炸。实施例5 确定火箭的爆炸威力根据实施例4确定的爆炸模式，利用实施例3确定的剩余的推进剂质量，使用公式(I)或公式(II)确定火箭的爆炸威力，然后根据爆炸威力获得爆炸冲击波的参数ps和Is。实施例6 确定爆炸碎片的初始速度对实施例2中确定的各种类型、不同质量的爆炸碎片，分别用公式(III) 和公式(IV)并结合实施例5中确定的爆炸冲击波参数，确定碎片在爆炸中获得的速度和爆炸冲击波的加速作用，然后使用公式(V)，按矢量合成的原理对向不同方向投射出去的碎片进行速度合成，确定各种爆炸碎片在爆炸发生后的速度矢量。实施例7 确定爆炸碎片的落点对各种类型、不同质量、按不同方向投射出去的爆炸碎片，分别进行受力分析，并获得形如公式(VI)的微分方程组。然后结合实施例3确定的初始位置，实施例6确定的初始速度，用Runge-Kutta法迭代求解其落点位置，迭代过程中，判断其落到地面的条件是碎片在发射坐标系中的坐标分量yt与该处地面点y1坐标相等。每次迭代结束后，记录下落点的坐标。实施例8 确定爆炸碎片的散布范围对实施例7中记录的各个落点进行统计、处理，确定爆炸碎片向在4 个方向上的最远落点，即碎片散布的最大范围，并对最远落点求算术平均，确定碎片散布范围的中心，最后将确定的爆炸碎片散布范围在地理信息系统上显示出来。

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