Движение спускаемого аппарата в атмосфере


Пример кода на языке Python (в Google Colab) для моделирования движения спускаемого аппарата (СА) в атмосфере Земли. Рассматривается простейшая плоская модель движения СА, как материальной точки с постоянными коэффициентами лобового сопротивления и подъёмной силы. Показано использование параметра events интегратора для остановки процесса интегрирования при достижении СА поверхности Земли.

Подключаем необходимые библиотеки


from collections import namedtuple
import scipy
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl

import matplotlib.pylab as pylab
params = {'legend.fontsize': 14, 'figure.figsize': (10, 7), 'axes.labelsize': 14,
         'axes.titlesize':14, 'xtick.labelsize':14,'ytick.labelsize':14}
pylab.rcParams.update(params)

Объявляем функцию, для вычисления плотности воздуха и ускорения свободного падения на заданной высоте.

# Модель атмосферы в диапазоне от 0 до 100 км с погрешностью 1,5%
# В. А. ЯРОШЕВСКИЙ "АППРОКСИМАЦИЯ МОДЕЛИ СТАНДАРТНОЙ АТМОСФЕРЫ"
# Ученые записки ЦАГИ, т. XL, №3, 2009.
a  = np.array([-6.3759,-7.3012,-1.1817])
b  = np.array([-0.4754,-0.0096,-0.0068,-0.0120,0.0042]);
c  = np.array([ 0.1803, 0.0872,-0.0153, 0.0145,0     ]);

def rho(h):
  # Функция вычисления плотности воздуха
  # высота h задаётся в километрах
  # результат -- плотность кг/м3
  x = h/50.0-1
  sa = a[0] + a[1]*x + a[2]*x*x
  sbc= np.sum( (b[i]*np.cos((i+1)*np.pi*x) + c[i]*np.sin((i+1)*np.pi*x) for i in range(5)) )
  return np.exp(sa + sbc)

# Гравитационный параметр Земли
mu = 398600.4415e9
# Радиус Земли
Re = 6371000.0

def g_acc(h):
  # Вычисление ускорения свободного падения м/с^2 на высоте h (в метрах)
  return mu/(Re+h)**2

Уравнения движения имеют следующий вид:

\frac{dV}{dt} = - \frac{C_d S_m q}{m} - g \sin \theta,\quad V \frac{d \theta}{dt} = \frac{C_l S_m q}{m} - \left(g-\frac{V^2}{r}\right) \cos \theta, \quad \frac{dr}{dt} = V \sin \theta

где V - скорость СА; \vartheta – угол наклона траектории (угол между вектором скорости и линией местного горизонта); r – расстояние от центра Земли до центра масс СА; g – ускорение свободного падения на высоте h; m – масса СА; S_m – характерная площадь (площадь Миделя); C_d – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; C_l – аэродинамический коэффициент подъёмной силы; q – Скоростной напор:

q = \frac{\rho V^2}{2}

Функция правых частей дифференциальных уравнений:

def dydt(t, y, p):  
  # Функция правых частей дифференциальных уравнений
  # вычисление правых частей дифференциальных уравнений для
  # момента времени t и вектора состояния y = [r(t), v(t), theta(t)]

  # Радиус-вектор точки в момент времени t
  r     = y[0]
  # Скорость  в момент времени t
  v     = y[1]
  # Угол наклона траекториии  в момент времени t  
  theta = y[2]

  # Высота (км)
  h     = (r - Re)*0.001
  # Скоростной напор Н/м^2
  q     = rho(h)*v*v/2  
  # Ускорение свободного падения
  g     = g_acc(r - Re)

  # dv/dt =   
  dv    = - q*p.CD*p.Sm/p.mass - g*np.sin(theta)
  # dtheta/dt =   
  dtheta= (q*p.CL*p.Sm/p.mass - (g - v*v/r)*np.cos(theta))/v
  # dr/dt =    
  dr    = v*np.sin(theta)

  return (dr,dv,dtheta)

Следующая функция используется для останова процесса интегрирования при достижении спускаемым аппаратом нулевой высоты. Функция возвращает высоту полета и устанавливает два атрибута, один из которых указывает на направление изменения контролируемой функции (высоты) при пересечении нулевого значения. В рассматриваемом случае атрибут direction равен минус 1, т.е. процесс интегрирования остановится только если высота пересечет ноль уменьшаясь. Второй атрибут – terminal предписывает остановить процесс интегрирования.

def event_h_eq_0(t, y):
  # Функция-"детектор", передаваемая в интегратор (параметр events),
  # для определения времени достижения нулевой высоты и
  # остановки процесса интегрирования  

  # функция определяется условие h = 0 при движении "вниз"
  event_h_eq_0.direction = -1
  # функция-детектор активна
  event_h_eq_0.terminal  = True  
  # функция возвращает высоту  
  return y[0]-Re  

Параметры спускаемого аппарата (масса, аэродинамические коэффиценты, площадь миделя) будут храниться в структуре params.

params = namedtuple("params", "CD CL mass")
# Масса тела
params.mass = 4000.0
# Аэродинамические коэфиициенты,
# которые в общем случае зависят от числа Маха,
# угла атаки
params.CD   = 1.5    # Коэффицент лобового сопротивления
params.CL   = 0      # Коэффицент подъёмной силы
# Площадь миделя
params.Sm   = 3      

Начальные условия движения:

# Начальные условия
h0     = 100e3 # Начальная высота [м]
v0     = 7800. # Начальная скорость [м/c]
theta0 = -0.1  # начальный угол наклона траектории [радиан]

Запускаем процесс интегрирования, передавая функции solve_ivp ссылку на функцию правых частей, интервал интегрирования, списко начальных условий, используемый численный метод и ссылку на функцию для останова интегрирования. Функция правых частей должна иметь два аргумента: время и вектор состояния. Объявленная ранее функция dydt имеет три аргумента, включя ссылку на структуру с параметрами спускаемого аппарата, поэтому эту функция адаптируется к требованиям solve_ivp при помощи лямбда-функции.

sol = scipy.integrate.solve_ivp(lambda t,y: dydt(t,y,params), [0, 1000], [Re+h0, v0, theta0], method='LSODA', events = event_h_eq_0, rtol = 1e-8)

Построение графиков

# Зависимость высоты от времени
plt.plot(sol.t,(sol.y[0]-Re)*0.001);
plt.xlabel('t, c');plt.ylabel('h, км');

2019

2018


© 2018. All rights reserved.