SPJ｜北京空间机电研究所贾贺团队、中南大学薛晓鹏团队：火星透气降落伞模型气动性能的数值研究 - SPACE导读

火星透气降落伞模型

气动性能的数值研究

       在火星探测任务中，超声速降落伞具有双重功能，减缓探测器的下降速度并确保其稳定性。然而，在超声速降落伞气动性能的关键参数中，多数研究并未考虑伞体总孔隙率。伞体总孔隙率主要由织物透气性和结构透气性导致的孔隙率共同组成。在美国宇航局（NASA）的项目试飞中，织物透气性较低、结构孔隙率较高的超声速环帆（Supersonic Ringsail, SSRS）降落伞和超声速盘帆（Supersonic Disksail, SSDS）降落伞未能正常充气。

      相反，具有更高织物透气性和更低结构孔隙率的盘缝带(Disk-Gap-Band, DGB)降落伞则在另一项目中取得了成功。SSRS或SSDS降落伞的失效可能与其复杂的多孔结构密切相关。但是，目前对SSRS或SSDS降落伞多孔结构引起的非定常流场和气动性能研究还不够深入。在Space: Science & Technology (《空间科学与技术》（英文）)新发表的文章中，北京空间机电研究所携手中南大学，共同研究了不同孔隙率和位置的开缝对超声速降落伞气动性能的影响。

一图读懂全文

       首先，作者介绍了探测器和降落伞组成的二体模型。探测器外形为简化设计火星科学实验室探测器（Mars Science Laboratory probe），尺寸与其一致；伞体为半球形，是基于NASA的SSDS模型设计得到。对于探测器-降落伞二体模型，孔隙率定义为开缝弧长与伞体总弧长的比值。针对SSDS伞体表面不同位置的孔隙率结构进行研究，分别位于伞体高度（从入口到顶部距离）的1/3和2/3。位于伞体高度2/3处的开缝称为前缝(UG, Upper Gap)，位于伞体高度1/3处的开缝称为后缝 (LG, Lower Gap)。此外，开缝的结构孔隙率设置为伞体弧长的5%、10%、15%。然后，因为已有研究表明，2D模型在计算复杂流场、分析气动性能的精度和速度较高，因此作者使用2D模型进行数值研究。并且通过与3D模型进行仿真对比，结果也表明2D和3D模型的结果偏差是可接受的，因此进一步验证了2D模型的适用性。

Instantaneous flow fields around two-body system during a time period; the left is pressure contour, and the right is Mach contour.

       其次，作者重点介绍了火星的自由流条件和数值计算方法。火星大气条件通过NASA方程计算得出。探测器-降落伞二体模型周围的超声速流则是通过求解三维可压缩 Navier-Stokes方程进行数值模拟。具体包括使用有限体积法进行空间离散，并采用HLLC（Harten-Lax-van Leer-Contact）格式计算无粘通量，时间推进采用双时间步隐式推进格式。在边界设置上，降落伞伞衣设置为无滑移的绝热壁面，入口为来流参数，出口参数通过中心外推获得。此种数值计算方法曾用于火星科学实验室的盘缝带降落伞周围流场的计算，结果验证了方法的有效性和可靠性。此外，作者还进行了数值方法的网格无关性验证。

       最后，作者总结了开缝孔隙率和位置对降落伞流场和气动性能的影响规律：

    （1）根据伞体阻力系数的时变曲线，探测器-降落伞二体模型周围的流场可分为三种类型：窄尾流周期、宽尾流周期和中尾流周期。窄尾流周期内伞体的阻力性能最好，中尾流周期内伞体具有更好的侧向力性能；

    （2）针对不同位置的开缝，前缝伞形阻力系数的周期性变化比后缝伞形更显著。前缝伞形阻力系数波动较小，后缝伞形则更有助于改善侧向力性能;

    （3）孔隙率的增加对前缝伞形的影响更显著，阻力系数下降更明显。前缝伞形的侧向稳定性较后缝伞形更好。

作者简介

贾贺

       北京空间机电研究所研究员，研究生导师，航天器回收着陆技术研究室主任，神舟飞船回收着陆分系统主任设计师。

       长期从事航天器减速着陆系统总体设计工作，负责航天器减速着陆系统分析评估及数值模拟技术的研究。亲历或负责了神舟八号至神舟十四号各艘飞船回收着陆系统的研制，主持或参与了国家自然科学基金面上项目、JKW重点基金项目等项目。曾先后获得国防科学技术奖、军队科技进步奖三项。

荣伟

       现任北京空间机电研究所研究员，博士生导师，神舟号飞船系统副总设计师，探月工程三期探测器系统回收分系统主任设计师，北京市航空智能遥感装备工程研究中心技术带头人。

       长期从事航天器回收着陆技术的研究和设计工作，亲历或负责了神舟一号至神舟十二号各艘飞船以及嫦娥五号回收着陆系统的研制。曾荣获中国载人航天工程突出贡献奖、曾宪梓载人航天基金奖突出贡献奖、中国航天基金奖、国家国防科技工业局探月工程三期再入返回飞行试验任务突出贡献奖等；多次荣获国防科学技术奖、军队科技进步奖等。

薛晓鹏

       现任中南大学副教授，博士生导师，中国宇航学会返回与再入专业委员会委员。

       长期从事气动减速技术、可压缩流固耦合动力学与控制、多孔介质流体模拟等相关领域研究。近年主持了国家自然科学基金面上项目和青年项目，湖南省自然科学基金面上项目和青年项目、北京空间机电研究所开放基金等项目。

文章信息

原文链接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/2022/9851982

引用格式：

Lulu Jiang, He Jia, Xin Xu, Wei Rong, Wei Jiang, Qi Wang, Gang Chen, and Xiaopeng Xue, Numerical Study on Aerodynamic Performance of Mars Parachute Models with Geometric Porosities, Space: Science & Technology, Vol. 2022, Article ID 9851982, 13 pages, https://doi.org/10.34133/2022/9851982.

官网链接：

https://spj.science.org/journal/space

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