Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher geometrischer Porositäten auf die aerodynamischen Eigenschaften von Überschallfallschirmen

Die sichere Landung der Sonde ist eine der schwierigsten Herausforderungen bei der Marserkundung, und der Mars-Überschallfallschirm ist für diesen Prozess äußerst wichtig. Bisher wurden bei allen erfolgreichen Mars-Erkundungsmissionen Disk-Gap-Band-Fallschirme (DGB) eingesetzt. Der DGB-Fallschirm mit dem höchsten Durchmesser von 21,35 m kann jedoch für zukünftige Mars-Erkundungsmissionen mit höherer Belastung nicht weiter verwendet werden.

Überschallfallschirme der nächsten Generation der NASA, wie etwa Disksail-Fallschirme, sind Alternativen zu DGB-Fallschirmen. Disksail-Fallschirme haben größere poröse Lücken und kleinere poröse Nähte auf der Kappenoberfläche als DGB-Fallschirme. Allerdings gibt es nur wenige Studien zu den aerodynamischen Eigenschaften von Überschallfallschirmen mit unterschiedlichen geometrischen Porositätsstrukturen und -orten.

Daher bleibt der Einflussmechanismus poröser Nähte oder Lücken und ihrer Lage auf die Leistung von Überschall-Fallschirmsystemen unter den atmosphärischen Bedingungen des Mars unklar.

In einer kürzlich veröffentlichten Forschungsarbeit in Weltraum: Wissenschaft und TechnologieAcht Wissenschaftler von fünf Organisationen, darunter der Central South University, der Xi’An Jiaotong University, der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, dem Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity und der Hong Kong Polytechnic University, untersuchen gemeinsam die aerodynamischen Eigenschaften des neuen Überschallfallschirms mit unterschiedlichen Porositäten und Naht-/Spaltpositionen und verstehen den Einflussmechanismus der Porosität und der Positionen poröser Strukturen auf die aerodynamischen Leistungen von Überschallfallschirmen.

Zunächst stellen die Autoren das Fallschirmmodell in der Studie vor. Das in dieser Studie verwendete ursprüngliche Fallschirmsystemmodell umfasst die Kapsel und die Kappe. Das Baldachinmodell basiert auf dem SSDS-Modell in den Flugtests des Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD) der NASA, und das Kapselmodell stimmt mit dem Sondenmodell des Mars Science Laboratory (MSL) überein.

Die Struktur des Baldachinmodells ist entlang der X-Achsenrichtung vom Mund bis zur Oberseite des Baldachinkörpers in vier Teile unterteilt: das Baldachinband, den Ring 19–Ring 16, den Ring 15–Ring 10 und die Baldachinscheibe mit Entlüftung.

Das Überdachungsmodell verfügt über zwei Arten von Porositätsstrukturen: Lücke und Naht. Der obere Spalt G1 befindet sich zwischen Ring 10 und der Baldachinscheibe und seine geometrische Porosität beträgt 4 %. Der mittlere Spalt G2 liegt zwischen den Ringen 16 und 15 und seine geometrische Porosität beträgt 3 %. Die Nähte liegen zwischen den anderen Ringen oder dem Ring- und Baldachinband. Aus dem oberen Ring ergibt sich die Bestellnummer der Naht. Die Lücken haben eine große geometrische Porosität und die Nähte haben eine winzige geometrische Porosität.

In dieser Studie werden Haubenmodelle mit unterschiedlichen Einzelnahtpositionen entworfen (die obere Entlüftung bleibt bei allen Modellen erhalten), bei denen bei einem Haubenmodell nur eine Naht offen ist. Unterdessen ist das Modell mit der oberen Lücke, das G1-Modell, ein Modell, das nur die obere Lücke von G1 und die obere Lüftungsöffnung beibehält, und das Modell mit der mittleren Lücke, das G2-Modell, behält nur die mittlere Lücke von G2 und die obere Lüftungsöffnung bei. Durch die Kombination der oben genannten Nähte mit unterschiedlichen Lücken werden auch neue Baldachinmodelle mit unterschiedlichen Nähten und Lücken entworfen.

Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das Baldachinmodell als starrer Körper betrachtet.

Anschließend erläutern die Autoren die in der Simulation verwendeten Freestream-Bedingungen und numerischen Methoden. Die in der Simulation verwendeten Freestream-Bedingungen stimmen mit denen der Arbeitshöhe des Überschallfallschirms in der MSL-Mission und den Arbeitsgeschwindigkeiten des Fallschirms im stabilen Abstiegsstadium überein.

Bei den numerischen Methoden werden die instationären Strömungen über dem Überschall-Fallschirmsystem (dh verschiedene Kappenmodelle mit derselben MSL-Kapsel) durch numerisches Lösen der dreidimensionalen kompressiblen NS-Gleichungen untersucht. Für die räumliche Diskretisierung wird die Finite-Volumen-Methode angewendet und zur Berechnung des nichtviskosen Flussterms das HLLC-Verfahren (Harten-Lax-van-Leer-Contact) eingesetzt. Darüber hinaus wird das TVD-Polynom-Interpolationsschema verwendet, um numerische Schwankungen zu vermeiden.

Darüber hinaus wird ein implizites 2-Zeitschritt-Antriebsschema angewendet, um die komplexen instationären Strömungsfeldstrukturen um den Überschallfallschirm herum mit einem Zeitschritt von 1,0×10-4 s zu erfassen.

Abschließend präsentieren die Autoren die Ergebnisse und ziehen ein Fazit. Die numerischen Ergebnisse sind wie folgt zusammengefasst:

(1) Die Porositätsstrukturen des Haubenkörpers haben keinen signifikanten Einfluss auf den Strömungsfeldmodus des Überschall-Fallschirmsystems und sie haben nur geringe Auswirkungen auf die Druckverteilung der Kapseloberfläche und die Strömungsfeldstruktur um den Kapselkörper herum.

(2) Bei den Kabinenhaubenmodellen mit einzelnen Nähten in der vorliegenden Studie weisen die Modelle mit niedrigeren Nähten (Unterseite der Kabinenhaube) eine bessere Luftwiderstandsleistung auf, und die Modelle S11 und S17 zeigen größere Luftwiderstandsbeiwerte und eine bessere Stabilitätsleistung. Bei den Kappenmodellen mit einem einzigen Spalt ist der Luftwiderstandsbeiwert des G2-Modells (0,72) deutlich größer als der des G1-Modells (0,64), während die Schwankung des Seitenkraftkoeffizienten von G1 (0,072) kleiner ist als die des G2 Modell (0,091).

(3) Durch das Hinzufügen verschiedener Nähte ist der Luftwiderstandsbeiwert der G1S-Modelle größer als der des G1-Modells mit einem einzigen G1. Im Vergleich zum ursprünglichen G1-Modell hat sich die Stabilitätsleistung der kombinierten G1S-Modelle nicht wesentlich verändert. Die Widerstandsleistung der kombinierten G2S-Modelle mit den Nähten nimmt im Vergleich zum ursprünglichen G2-Modell ab; Allerdings ist die Stabilitätsleistung der kombinierten G2S-Modelle im Vergleich zum ursprünglichen G2 verbessert.

Wenn außerdem die Kombination aus Naht und Spalt mit größerem Abstand für eine Überdachung ausgelegt ist, verringert sich der Druck im Inneren der Überdachung grundsätzlich im Vergleich zum ursprünglichen Einzelmodell, während die Kombination aus Naht und Spalt mit kurzem Abstand für eine Überdachung und den Druck ausgelegt ist Die Veränderung innerhalb des Baldachins ist geringfügig.

Die numerischen Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die neuen Überschallfallschirme mit unterschiedlichen Porositätsstrukturen von Nähten, Lücken und deren Kombinationen deutlich unterschiedliche aerodynamische Leistungen aufweisen. Die nächste Generation von Fallschirmen mit komplexeren Kombinationen von Nähten und Lücken sollte so konzipiert werden, dass ihre aerodynamischen Eigenschaften und Einflussmechanismen untersucht werden.