Hvordan videnskabsmænd testede de supersoniske dynamiske egenskaber ved Tianwen-1 Mars Entry Capsule

Tianwen-1 Mars indgangskapslen landede med succes på overfladen af ​​Mars i det sydlige Utopia planitia den 14. maj 2021 kl. 23:18 UTC. En af de største udfordringer, den stod over for, er, at en typisk stump krop, såsom kapslen, lider under dynamisk ustabilitet under supersoniske rejser. At undersøge det ustabile Mach-flyvningsområde og bekræfte designet af landerens aerodynamiske form og masseegenskaber var nøglen til at opnå Mars-indtoget. I en forskningsartikel for nylig offentliggjort i Space:Science &Technology , gennemførte Haogong Wei fra Beijing Institute of Spacecraft System Engineering en ballistisk rækkeviddetest for at fange de supersoniske dynamiske karakteristika af Tianwen-1.

Den stumpe kropsindgangskapsel fra Tianwen-1 var programmeret til at udfolde en trimmetap ved Mach 2,8 for at trimme angrebsvinklen mod 0° før faldskærmsudsættelse ved Mach 1,8. Transoniske og supersoniske dynamiske karakteristika for køretøjer med stumpt karosseri er imidlertid vanskelige at beregne ved hjælp af numeriske metoder, fordi forbigående og ustabile strømningsfænomener såsom adskillelse, genmontering, vækning og tidsforsinkelse er svære at fange nøjagtigt. Derfor foretrækker forskere at studere flyvedynamik via jordtestmetoder. Der er tre typer test, herunder tvungen oscillation, fri oscillation og fri flyvning. Det er imidlertid vanskeligt at fange nøjagtige dynamiske karakteristika ved tvungne oscillationstests, da denne metode inducerer betydelig forstyrrelse af strømningsfeltet. Den frie oscillationsmetode kan kun bruges til at opnå den dynamiske respons i en enkelt frihedsgrad, hvilket betragtes som en forenklet friflyvningsmetode. Friflyvningsmetoden, som afspejler den dynamiske models reelle dynamiske egenskaber, er således et passende alternativ.

I dette arbejde udførte forfatterne en friflyvningsballistisk rækkeviddetest for at opnå de statiske og dynamiske aerodynamiske egenskaber af Tianwen-1 i trimmede og utrimede konfigurationer under typiske supersoniske forhold og for at verificere de numeriske beregningsresultater af supersoniske statiske og dynamiske aerodynamiske kapslens egenskaber. Testene blev udført i 200m Free-Flight Ballistic Range i China Aerodynamics Research and Development Center. Testmediet i kammeret var luft. De kikkertmålingsstationer blev installeret langs modellens flyveretning, som ville blive kalibreret og justeret til det globale basereferencekoordinatsystem før testen. Der var to konfigurationer af skalerede testmodeller:trimmet (med trimmet monteret) og ikke trimmet (med trimmet foldet).

Identifikationsalgoritmen for de aerodynamiske parametre for friflyvnings ballistisk rækkeviddetest blev etableret først:De aerodynamiske koefficienter for friflyvningsskalerede modeller blev udledt af modificeret lineær regressionsmetode baseret på positions- og holdningsdata. De statiske og dynamiske koefficienter blev etableret under antagelsen om lille vinkel linearisering. Bagefter blev analysen af ​​kapslens position og holdning, attitudeoscillation, aerodynamisk kraft, statisk og dynamisk stabilitet foretaget, og resultaterne viste, at den ballistiske rækkevidde-test fanger holdningsadfærden og aerodynamiske karakteristika for Tianwen-1 Mars-indgangskapslen. De opnåede pitch- og girmomentkoefficienter blev brugt til at diskutere kapslens aerodynamiske egenskaber. Kapslen i trimmet konfiguration er dynamisk ustabil i hældnings- og krøjningsretningerne, hvorimod den ikke trimmede konfiguration er dynamisk stabil. I begge tilfælde er kapslen statisk stabil i stignings- og krøjningsretninger.