Examen de l’effet de différentes porosités géométriques sur les caractéristiques aérodynamiques des parachutes supersoniques

L’atterrissage en toute sécurité de la sonde est l’un des défis les plus difficiles de l’exploration de Mars, et le parachute supersonique martien est extrêmement important pour ce processus. À ce jour, toutes les missions réussies d’exploration de Mars ont utilisé des parachutes à bande d’espacement de disque (DGB). Cependant, le parachute DGB, dont le diamètre le plus élevé est de 21,35 m, ne peut plus être utilisé pour de futures missions d’exploration de Mars avec des charges plus élevées.

Les parachutes supersoniques de nouvelle génération menés par la NASA, comme les parachutes à voile, sont des alternatives aux parachutes DGB. Les parachutes Disksail ont des espaces poreux plus grands et des coutures poreuses plus petites sur la surface de la voilure que les parachutes DGB. Cependant, il existe peu d’études sur les caractéristiques aérodynamiques des parachutes supersoniques présentant des structures et des emplacements de porosité géométrique différents.

Par conséquent, le mécanisme d’influence des coutures ou des espaces poreux et de leur emplacement sur les performances des systèmes de parachutes supersoniques dans les conditions atmosphériques martiennes reste flou.

Dans un document de recherche récemment publié dans Espace : science et technologiehuit chercheurs de cinq organisations, dont l’Université Central South, l’Université Xi’An Jiaotong, l’Université d’aéronautique et d’astronautique de Nanjing, l’Institut de mécanique et d’électricité spatiales de Pékin et l’Université polytechnique de Hong Kong, étudient ensemble les caractéristiques aérodynamiques du nouveau parachute supersonique. avec différentes porosités et positions de couture/espace et comprendre le mécanisme d’influence de la porosité et des positions des structures poreuses sur les performances aérodynamiques des parachutes supersoniques.

Tout d’abord, les auteurs introduisent le modèle du parachute dans l’étude. Le modèle original du système de parachute utilisé dans cette étude comprend la capsule et la verrière. Le modèle de canopée est conçu à partir du modèle SSDS lors des essais en vol du décélérateur supersonique à faible densité (LDSD) de la NASA, et le modèle de capsule est cohérent avec le modèle de sonde du Mars Science Laboratory (MSL).

La structure du modèle de canopée est divisée en 4 parties le long de l’axe X, de l’embouchure au sommet du corps de la canopée : la bande de la canopée, l’anneau 19 à l’anneau 16, l’anneau 15 à l’anneau 10 et le disque de la canopée. avec un évent.

Le modèle de canopée comporte 2 types de structures de porosité, à savoir l’espace et la couture. L’espace supérieur, G1, se situe entre l’anneau 10 et le disque de verrière, et sa porosité géométrique est de 4 %. L’espace médian, G2, se situe entre les anneaux 16 et 15, et sa porosité géométrique est de 3 %. Les coutures se situent entre les autres anneaux ou entre l’anneau et la bande de la verrière. Le numéro d’ordre de la couture est nommé à partir de l’anneau supérieur. Les espaces ont une grande porosité géométrique et les joints ont une petite porosité géométrique.

Dans cette étude, des modèles de verrière avec différentes positions de couture unique sont conçus (l’évent supérieur est conservé pour tous les modèles), dans lesquels une seule couture est ouverte pour un modèle de verrière. Pendant ce temps, le modèle à espace supérieur, le modèle G1, est un modèle qui ne conserve que l’espace supérieur de G1 et l’évent supérieur, et le modèle à espace intermédiaire, le modèle G2, ne conserve que l’espace intermédiaire de G2 et l’évent supérieur. En combinant les coutures ci-dessus avec différents espaces, de nouveaux modèles d’auvent avec différentes coutures et espaces sont également conçus.

De plus, le modèle de canopée est considéré comme un corps rigide dans ce travail.

Ensuite, les auteurs exposent les conditions de flux libre et les méthodes numériques utilisées dans la simulation. Les conditions de flux libre utilisées dans la simulation sont cohérentes avec celles de l’altitude de travail du parachute supersonique dans la mission MSL et des vitesses de travail du parachute dans la phase de descente stable.

Quant aux méthodes numériques, les écoulements instationnaires sur le système de parachute supersonique (c’est-à-dire différents modèles de voilure avec la même capsule MSL) sont étudiés en résolvant numériquement les équations NS compressibles tridimensionnelles. La méthode des volumes finis est adoptée pour la discrétisation spatiale et le schéma HLLC (Harten-Lax-van Leer-Contact) est utilisé pour calculer le terme de flux non visqueux. De plus, le schéma d’interpolation polynomiale TVD est utilisé pour éviter les oscillations numériques.

De plus, un schéma de propulsion implicite à 2 pas de temps est adopté pour capturer les structures complexes de champs d’écoulement instables autour du parachute supersonique avec un pas de temps de 1,0 × 10-4 s.

Enfin, les auteurs présentent les résultats et tirent la conclusion. Les résultats numériques sont résumés comme suit :

(1) Les structures de porosité du corps de la verrière n’ont aucun effet significatif sur le mode de champ d’écoulement du système de parachute supersonique, et elles ont peu d’effet sur la répartition de la pression à la surface de la capsule et sur la structure du champ d’écoulement autour du corps de la capsule.

(2) Pour les modèles de voilure à coutures simples dans la présente étude, les modèles avec coutures inférieures (côté inférieur de la voilure) ont de meilleures performances de traînée, et les modèles S11 et S17 affichent des coefficients de traînée plus élevés et de meilleures performances de stabilité. Pour les modèles de canopée avec un seul espace, le coefficient de traînée du modèle G2 (0,72) est nettement plus grand que celui du modèle G1 (0,64), tandis que la fluctuation du coefficient de force latérale de G1 (0,072) est inférieure à celle du modèle G2. modèle (0,091).

(3) Avec l’ajout de différentes coutures, le coefficient de traînée des modèles G1S est supérieur à celui du modèle G1 avec un seul G1. Par rapport au modèle G1 d’origine, les performances de stabilité des modèles G1S combinés ne présentent aucun changement significatif. Les performances de traînée des modèles G2S combinés avec les coutures diminuent par rapport au modèle G2 original ; cependant, les performances de stabilité des modèles G2S combinés sont améliorées par rapport au G2 d’origine.

De plus, lorsque la combinaison d’une couture et d’un espace plus éloignés est conçue pour un auvent, la pression à l’intérieur de l’auvent diminue fondamentalement par rapport au modèle unique d’origine, tandis que la combinaison d’une couture et d’un espace avec une courte distance est conçue pour un auvent et la pression le changement à l’intérieur de la canopée est mineur.

Les résultats numériques de cette étude montrent que les nouveaux parachutes supersoniques avec différentes structures de porosité de coutures, d’espaces et leurs combinaisons présentent des performances aérodynamiques significativement différentes. La prochaine génération de parachutes, dotés de combinaisons plus complexes de coutures et d’espaces, devrait être conçue pour étudier leurs caractéristiques aérodynamiques et leurs mécanismes d’influence.