科学家怎样分析天问一号火星降落伞的气动特性

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采用两种思路对现有DGB降落伞结构进行优化和改进。 一是增加风阻系数。 圆盘部分因此修改为具有更高阻力系数的结构,例如半伞降落伞结构和三锥降落伞结构。 另一种是扩大带子的面积以增加降落伞的稳定性,例如在天篷的下裙边加一条锥形带子。 具体降落伞结构如图所示。 学分:空间:科学与技术

中国天问一号火星探测器于北京时间2021年5月15日上午7时18分成功降落在乌托邦平原。火星任务的成功率约为50%,大部分失败发生在进入、下降和着陆过程中(EDL) ) 阶段。 低密度超音速降落伞在火星EDL中起着至关重要的作用,直接决定了整个任务的成败。 北京航天机电研究所黄明兴在近日发表在《Space: Science & Technology》的研究论文中,对天问一号火星降落伞进行了设计、研制和鉴定,可为未来的创造提供参考。火星探索降落伞。

笔者首先重点对火星降落伞类型进行了分析和选择。 与在地球上工作的降落伞相比,火星着陆器的降落伞面临的问题更多。 一方面,火星降落伞的公开飞行具有超音速、低密度和低动态压力的特点。 另一方面,大气活动,如火星涡旋活动和沙尘暴,可能会导致严酷的降落伞打开条件。 因此,在设计降落伞时应考虑降落伞打开困难、充气不稳定、阻力系数降低等问题。

国外所有成功实现火星软着陆的着陆器都使用了DGB(Disk-Gap-Band)降落伞,在超音速和低密度工作环境下具有良好的稳定性和出色的充气性能。 由于其高空性能和较低的技术风险,经过改进设计修改的DGB降落伞被选为天问一号火星探测器的候选者。 根据带状面积占整个天篷的比例,DGB降落伞可分为维京型和MPF(火星探路者)型。

Viking型DGB降落伞阻力系数高,稳定性差,而MPF及其改进型DGB降落伞阻力系数较小,但稳定性较好。 此外,还采用了两种思路对现有的DGB降落伞结构进行了优化和改进。 一是增加风阻系数。 圆盘部分因此修改为具有更高阻力系数的结构。另一种是扩大带的面积以增加降落伞的稳定性,例如在顶篷的裙部增加锥形带。 因此,选择了五个 DGB 降落伞结构,包括 MPF、Viking、hemisflo、三角和锥形结构作为候选结构。

随后,为了优化火星降落伞的结构,对5个DGB降落伞进行了亚音速、跨音速和超音速风洞试验,得到了它们的阻力系数和摆动角。 结合不同马赫数的风洞试验结果,选择减速和稳定性能较好的降落伞,锥形DGB降落伞是天问一号的最佳减速降落伞。

最后,为了展示全尺寸锥形 DGB 降落伞在火星飞行条件下的能力,2018 年 4 月用探空火箭进行了四次高空飞行试验。飞行过程中,第一级在大约 17 公里~20 公里的高度烧毁。 ,有效载荷部分分别达到了 49 公里和 64 公里之间的远地点。 当有效载荷达到目标动压和马赫数时,降落伞迫击炮展开。

降落伞的展开、充气、超音速和亚音速空气动力学通过一套仪器进行分析,包括在降落伞上训练的高速视频系统、降落伞缰绳和有效载荷接口处的一组负载销,以及有效载荷上的 GPS 和惯性测量单元 (IMU)。 减速至亚音速后,降落伞和有效载荷下降到测试范围进行回收。 所有测试都针对降落伞展开时的特定动态压力,以在完全充气时达到降落伞所需的负载。

降落伞是迫击炮火力部署的,动态压力范围为 100Pa 至 950Pa,马赫数在 2.05 至 2.35 之间。 相比之下,天问一号的降落伞必须能够在Ma1.6~Ma2.3范围内和250Pa~850Pa的动压范围内可靠打开。 在地球上进行的高空开放试验和火星实际工作条件下,雷诺数均在2×106量级。 试验结果表明,锥形DGB降落伞的阻力系数从0.39变化到0.70,马赫数从Ma 0.2-Ma 2.4增加,在Ma 1.5达到最大值0.7; 降落伞展开后的最大迎角约为20°,这都证明了锥形DGB降落伞的性能可以满足天问一号火星探测器的减速要求。