Hvordan forskere analyserede de aerodynamiske egenskaber ved Tianwen-1 Mars faldskærm

Kinas Tianwen-1 Mars-sonde landede med succes på Utopia-sletten kl. 7:18 Beijing-tid den 15. maj 2021. Succesraten for Mars-missioner er omkring 50 %, og de fleste fejl opstår under indsejling, nedstigning og landing (EDL) ) fase. Faldskærme af lavdensitet supersonisk spiller en afgørende rolle i Mars' EDL og bestemmer direkte succesen af ​​hele missionen. I en forskningsartikel for nylig offentliggjort i Space:Science &Technology , Mingxing Huang fra Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity udførte design, udvikling og kvalificering af Tianwen-1 Mars-faldskærmen, som kan give en reference til skabelsen af ​​fremtidige Mars-udforskningsfaldskærme.

Forfatteren fokuserede først på analysen og udvælgelsen af ​​Mars faldskærmstyper. Sammenlignet med faldskærmene, der virker på Jorden, står Mars-landerens faldskærme over for flere problemer. På den ene side er den åbne flyvning af Mars faldskærm kendetegnet ved supersonisk hastighed, lav tæthed og lavt dynamisk tryk. På den anden side kan atmosfæriske aktiviteter, såsom Mars-hvirvelaktivitet og støvstorme, føre til barske faldskærmsåbningsforhold. Derfor bør vanskeligheder med at åbne faldskærmen, ustabil oppustning og reduceret modstandskoefficient tages i betragtning ved udformningen af ​​faldskærm.

Alle udenlandske landere med succes opnået blød landing på Mars har brugt DGB (Disk-Gap-Band) faldskærmen, som har god stabilitet og fremragende oppustningsydeevne i supersoniske arbejdsmiljøer med lav tæthed. På grund af dens demonstrerede ydeevne i høj højde og lavere tekniske risiko, er DGB-faldskærmen med forbedrede designmodifikationer valgt som kandidaten til Tianwen-1 Mars-sonden. Alt efter forholdet mellem båndarealet og hele baldakinen kan DGB-faldskærmene opdeles i Viking-typen og MPF-typen (Mars Pathfinder).

Viking type DGB faldskærm har en høj modstandskoefficient og svag stabilitet, hvorimod MPF og dens forbedrede DGB faldskærm har en mindre modstandskoefficient men bedre stabilitet. Endvidere blev to ideer vedtaget for at optimere og forbedre den eksisterende DGB faldskærmsstruktur. Den ene er at øge modstandskoefficienten. Skivedelen er således modificeret til en struktur med en højere modstandskoefficient. Den anden er at forstørre båndets areal for at øge faldskærmens stabilitet, såsom at tilføje et tilspidset bånd på skørtet af baldakinen. Således blev fem DGB faldskærmsstrukturer, inklusive MPF, Viking, hemisflo, trikonisk og tilspidset struktur, udvalgt som kandidater.

Bagefter, for at optimere strukturen for Mars-faldskærmen, blev de subsoniske, transoniske og supersoniske vindtunneltests udført for de fem DGB-faldskærme for at opnå deres modstandskoefficienter og svingningsvinkler. Kombineret med vindtunneltestresultaterne ved forskellige Mach-tal for at vælge en faldskærm med bedre deceleration og stabilitet, var den tilspidsede DGB-faldskærm den bedste decelerationsfaldskærm til Tianwen-1.

For at demonstrere evnen til fuldskala tilspidsede DGB-faldskærme under flyveforhold på Mars blev der endelig udført fire flyveforsøg i høj højde med raketsonder i april 2018. Under flyvningen udbrændte første etape i højder på ca. 17 km~20 km. , hhv. nyttelastsektionen nåede højdepunktet mellem 49 km og 64 km. Da nyttelasten fik målets dynamiske tryk og Mach-nummer, blev faldskærmen udsat med morter.

Faldskærmens udbredelse, oppustning og supersoniske og subsoniske aerodynamik blev analyseret af en række instrumenter, inklusive et højhastigheds videosystem trænet på faldskærmen, et sæt belastningsstifter ved grænsefladen mellem faldskærmstøjlen og nyttelasten, og en GPS og inertial måleenhed (IMU) ombord på nyttelasten. Efter at have decelereret til subsonisk hastighed, faldt faldskærmen og nyttelasten til testområdet for genopretning. Alle testene målrettede et specifikt dynamisk tryk ved faldskærmsudsættelse for at nå en ønsket belastning på faldskærmen ved fuld oppustning.

Faldskærmene blev udsat med morterild ved dynamiske tryk, der spænder fra 100 Pa til 950 Pa og Mach-tal mellem 2,05 og 2,35. Til sammenligning skal Tianwen-1's faldskærm være i stand til at blive åbnet pålideligt inden for området Ma1.6~Ma2.3 og dynamisk trykområde på 250Pa~850Pa. Under åbningstesten i stor højde udført på Jorden og de faktiske arbejdsforhold på Mars er Reynolds-tallene begge i størrelsesordenen 2×10 ⁶ . Testresultaterne indikerer, at modstandskoefficienten for den tilspidsede DGB-faldskærm varierede fra 0,39 til 0,70 med Mach-tallet øget fra Ma 0,2-Ma 2,4 og nåede den maksimale værdi på 0,7 ved Ma 1,5; den maksimale AOA efter udsættelse af faldskærm er omkring 20°, hvilket alle har vist, at ydeevnen af ​​den tilspidsede DGB-faldskærm kunne opfylde decelerationskravene for Tianwen-1 Mars-sonden.