结构参数对火星探测用伞开伞性能的影响

连亮张红英李方童明波

（1南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016）

（2空降兵研究所，孝感 432100）

1 引言

火星探测器要成功登陆火星，需要一套高精度进入、减速和着陆系统 （Entry,Descent,and Landing,EDL），而降落伞减速系统（Parachute Deceleration System,PDS）是EDL系统的重要组成部分，给探测器提供非常有效的大气阻力，使探测器的下降速度从超声速减到亚声速，为软着陆创造有利条件。由于火星大气密度非常稀薄，降落伞的开伞条件和工作性能都与地球上的降落伞有所不同。因此，从火星着陆探测计划开始，降落伞的研究就一直是整个探测计划的工作重点和难点之一。

从“海盗号”到“火星探测漫游者”的几次火星探测着陆任务中，降落伞均采用了盘缝带伞[1-3]。如“火星探路者”(MarsPathfinder,MPF)使用的盘缝带伞是在“海盗号”的基础上，根据进入质量、开伞高度、动压等技术要求作了相应改进[4-6]。参数与“海盗号”有显著不同，主要是带宽明显增加，达到名义直径的0.234倍；使阻力系数从0.67减小到0.41，而降落伞在超声速时的稳定性却得到明显改善[7-8]。因此降落伞结构参数对开伞性能有着明显的影响，本文以“火星探路者”所用伞为基础，对其结构作相应改变后进行充气过程仿真计算，研究结构参数对降落伞充气性能的影响。希望能够为我国未来的火星探测研究工作提供参考。

2 数学模型

进行数值模拟计算时，一般把降落伞充气过程分为两个阶段：初始充气阶段和主充气阶段。初始充气阶段是指气流从伞衣底部冲到伞衣顶部的阶段，主充气阶段是从气流冲到伞衣顶部开始一直到伞衣第一次完全充满。初始充气阶段时间非常短，通常情况下对开伞动载和降落伞的充气性能影响不大，本文只对主充气阶段进行计算。

由于盘缝带伞是轴对称伞，伞衣由一定数量的相同伞衣幅彼此缝合连接而成，相邻伞衣幅之间由加强带相连。在对称充气情况下，选取径向对称的2个加强带来表示伞衣充气过程的形状变化，将研究对象（1根加强带及其两边的2个半幅伞衣）离散为一系列用阻尼弹簧连接的质点，分布在加强带上，各质点之间用伞绳、加强带和伞衣连接，这样质点在弹性力、阻尼力和气动力（忽略质点重力）的作用下运动，伞衣各质点的结构动力学方程参见参考文献[9]。

降落伞伞衣的厚度很小，远小于伞衣的几何尺度。因此从流体力学的角度来考虑，可以把伞衣看成是薄膜材料，其厚度对流场本质不会产生影响，在对降落伞进行流体力学数值模拟时可以忽略伞衣厚度的影响。采用准定常假设，把充气过程中的降落伞视为刚体，通过对不同充气时刻的不同伞衣外形进行Navier-Stokes(N-S)方程求解来模拟降落伞的流场特性。控制方程采用可压缩雷诺平均N-S方程，其积分形式可以写成：

式中 t是时间；S是面积； 是控制体体积； 是控制体边界； 是守恒变量； 和 分别是对流通量和粘性通量。

在这基础上对结构模型和流场模型进行耦合计算：先根据初始数据，在每一时间步长开始时，降落伞到达一个新位置，将伞面附近的流场网格点移动至伞面上；通过修改这些点相应的动量方程，更新源项，利用CFD程序计算得出交界处质点的压差，将计算结果传给结构动力学方程，进行表面力计算和进行伞面变形运动计算，得到下一形状；依据下一形状，流场计算程序进入下一个时间步长，开始新一轮的计算。

3 数学模型验证

为了校验仿真结果的可信度，首先以“火星探路者”降落伞为例，进行火星探测用降落伞的充气过程仿真计算。根据查找的参考文献[8,10]所对应的计算状态进行数值模拟，计算参数如表1所示，将计算得到的充满时间和开伞过载曲线与试验结果进行对比，以验证仿真程序在火星大气环境下的可靠性。

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[8]中，试验得到的充满时间是0.53s，开伞动载曲线如图1中的虚线所示。本文通过仿真计算，得到“火星探路者”探测器所用的盘缝带伞首次达到稳降时，47m2的投影面积所用的时间为0.54s，与实测充满时间0.53s误差仅0.01s，计算得到的充气距离为198m。在图1的开伞过载曲线中，实线为计算结果，虚线为试验结果。仿真数据显示：降落伞充气过程中最大动载出现在0.58s，峰值3950N，则开伞过载为6.89gn，开伞峰值出现在伞衣完全充满后。从图中可知无论是从计算得到的最大过载，还是最大过载出现的时间点，计算与实测曲线均比较一致。说明该数值模拟方法能较准确地模拟火星探测用降落伞的开伞过程，可利用本文的仿真手段开展进一步的分析。

图1 过载与充气时间曲线Fig.1 Load factor with in flat ion time

4 计算结果分析

表2给出了“火星探路者”与“海盗号”降落伞的结构参数。本文以“火星探路者”所用伞为基础，对其结构作5种变化后进行仿真计算，研究结构参数对降落伞性能的影响。修改后5种降落伞（A，B，C，D，E）的结构参数如表3所示，计算参数如表4所示，其中A伞即MPF伞。

表2 “火星探路者”与“海盗号”伞结构参数Tab. 2 Structure parameters of parachutes used for MPF and VINKING

表3 修改后的降落伞结构参数Tab. 3 Structure parameters of parachutes after modification

表4 修改后的降落伞计算参数Tab. 4 Calculation parameters of parachutes after modification

修改后的降落伞计算结果值如表5所示。表中，V为计算结束时的速度；Tm为伞衣投影面积第一次达到充满面积47m2的时间；T1为开伞载荷达到最大值的时间；Cs为计算结束时的阻力系数；n为开伞最大过载。

表5 修改后的降落伞计算结果Tab. 5 Calculation results of parachutes after modification

序号A，B和C只是带宽不同，带宽由小到大的顺序是B，A，C。从表5可看出，对应的伞衣充满后的阻力系数分别为0.587、0.520、0.435，即随着带宽增长阻力系数减小。投影面积随充气时间的变化图如图2所示，由图可知，投影面积的波动随带宽增长变得缓和，可见开伞过程中伞衣的颤动减小。

图2 A，B，C三伞投影面积随充气时间变化图Fig.2 Projected area of parachutes A,B and Cw ith inflation time

图3 B伞开伞过程伞衣外形变化图 Fig.3 Configuration during opening of parachute B

图4 A伞开伞过程伞衣外形变化图Fig.4 Configuration during opening of parachute A

图5 C伞开伞过程伞衣外形变化图Fig.5 Configuration during opening of parachute C

图3 、图4和图5分别为B，A，C开伞过程的伞衣外形变化图，可以看出B伞开伞过程中外形波动最为明显，伞衣底边有严重的摆动，而伞顶孔则存在忽上忽下的脉动，这种现象就是超声速开伞时的喘振现象。该现象在A伞上得到缓解，而C伞开伞过程中伞衣外形则比较光滑，喘振现象已经变得不明显。

图6、图7和图8分别是B，A，C三伞接近充满状态时的某一时刻伞衣周围流场图谱。从图6可以看出B伞由于缝宽最小，使得伞衣顶部的气流分离最剧烈，漩涡尺寸最大，也正是由于伞顶尾流的作用，开伞过程中伞衣的波动最为明显。从图7和图8可看出，随着带宽增加，伞顶分离减弱，尾流区的漩涡尺寸也减小。由此也可得出，超声速开伞时，降落伞充气过程中伞衣的喘振现象随着带宽增加而减弱，这对盘缝带伞的开伞安全性和可靠性有利。

图6 B伞充满时刻伞衣周围流场图谱Fig.6 Stream linesof inflated parachute B

图7 A伞充满时刻伞衣周围流场图谱Fig.7 Stream linesof inflated parachute A

图8 C伞充满时刻伞衣周围流场图谱Fig.8 Stream linesof inflated parachute C

图9 A,D、E三伞投影面积随充气时间变化图Fig.9 Projected area of parachutesA,D and Ew ith inflation time

序号A，D和E只是缝宽不同，A伞的缝宽最小，E的缝宽最大，它们的阻力系数分别为0.52、0.504、0.496，即随缝宽增长阻力系数减小（由于选取的缝宽相差不大，计算结果变化规律不明显）。若从盘缝带伞设计的角度考虑，相对而言D伞的缝宽0.54m比较合适，因为它在三者中过载最小，为11gn。另外，从图9的A，D，E三伞投影面积随充气时间变化图中可看出，D伞的投影面积变化也比较缓和。

5 结束语

本文以火星探测用伞（盘缝带伞）为研究对象，研究其结构参数对降落伞充气性能的影响，为盘缝带伞的优化设计提供参考。通过计算得到如下结论：

1）随着带宽增长，盘缝带伞阻力系数减小。

2）超声速开伞时，降落伞充气过程中伞衣的喘振现象随着带宽的增加而减弱，投影面积的波动随带宽增长变得缓和，可见开伞过程中伞衣的颤动减小。这对盘缝带伞的开伞安全性和可靠性有利。

3）随着缝宽增长，盘缝带伞阻力系数减小。

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