火星探测任务中,超声速降落伞对于火星探测器的减速过程起着至关重要的作用。然而,火星探测器与超声速降落伞系统的数值模拟和风洞试验大多在地球环境中进行,不能完全复现火星用降落伞真实的工作环境,所得气动特性也与真实环境下火星降落伞气动特性存在误差。针对这一问题,文章开展了地球和火星大气环境下超声速降落伞系统的数值模拟研究,并分析不同大气环境、来流条件对降落伞系统气动性能的影响机理,以及不同探测器构型对降落伞系统阻力性能的影响。研究发现:相比于地球大气,在火星大气条件下探测器单体尾流颈部点更加靠近探测器,火星大气环境下伞体阻力略低于地球大气环境;随着截锥数量的增加,器前激波脱体距离、激波角度及颈部点至探测器间距均缩短,阻力系数增加;后截锥导致伞体阻力波动幅度增加,流动周期延长。随着来流...

超声速降落伞是火星探测成功的关键。目前唯一成功实现火星探测的降落伞伞型——盘缝带伞已经达到使用尺寸极限,美国NASA新一代超声速低密度降落伞的候选伞型——盘帆伞的试验却全部失败,这可能与其复杂的透气性结构(几何透气性和织物透气性)密切相关。为了实现未来新一代超声速降落伞的设计研制,文章以缩比的火星科学实验室盘缝带伞的刚性模型为研究对象,基于计算流体方法,针对来流马赫数和伞衣织物透气性对降落伞系统复杂流动和气动特性的影响开展了数值研究。结果表明降落伞阻力系数在跨声速域有所下降,当Ma=1.4时达到峰值;织物透气性对降落伞系统的流场模式没有影响,但超跨声速段降落伞受织物透气性影响其阻力系数出现明显降低。文章的研究结果可为未来新一代火星探测用超声速降落伞的设计研制提供一定的理论参考和技术储...

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。

增大伞衣透气性有利于提高降落伞的稳定性,相关研究日益受到重视。文章基于计算流体力学方法对不同透气性下的环帆伞流场开展数值计算,在伞衣构型设计不变的前提下,分别针对位置和数量开展开“窗”结构对环帆伞稳态性能影响的研究。结果表明开“窗”数量相同时,位置越靠近伞衣底部,阻力系数受影响越小,越不利于提高静稳定性;开“窗”位置相同时,数量增加,阻力系数下降趋势减弱,静稳定性基本不变。上述结果可为环帆伞的设计改进提供参考。

针对钝锥阻力体航天器降落伞高空开伞试验采用低成本小直径火箭外形包络受限问题,提出在箭体上安装柔性充气环和充气裙锥两种变构型方案,用于模拟降落伞开伞过程真实流场环境。采用三维雷诺时均N-S(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)方程方法分别对某钝锥构型返回舱、某小型火箭以及火箭尾部加装充气环和充气锥裙4种构型进行流场数值模拟,并对比各种构型的尾流流场特征。计算结果表明,箭体上加装充气环和充气裙锥都可从一定程度上改善尾流特性;相比之下,采用充气裙锥方案更接近返回舱真实尾流流场。

为研究旋翼机对降落伞工作性能的非定常影响,建立一套适用于旋翼机伞降系统非定常复合流场的数值模拟方法。首先,采用PISO(pressure implicit split operator)算法和Reliazable k-ε湍流模型,以提高瞬态计算效率和粘性计算精度,准确捕捉流场尾涡细节变化。其次,建立了高效的动态网格更新模型,结合Diffusion Smoothing和Remeshing两种网格更新方法,对不同变形尺度的网格进行分类处理.在此基础上,研究了旋翼扰动下物伞系统的非定常尾流特征和降落伞气动特性的变化。结果表明旋翼转动使前体尾流区长度增加,尾流对降落伞影响增强,伞衣入口的流场结构呈不对称分布;前体尾部负涡量区逐渐上移,与伞衣入口的负涡量区相连通,促进了伞衣尾涡的脱离,伞衣尾流区的旋涡数量明显增加;另一方面,旋翼转动扰乱了前体表面的涡流分布,形成旋转涡流区,前体尾流中的脱落涡流区...

盘–缝–带伞是目前主流的火星用超声速降落伞,然而由于其阻力性能的限制,新一代的火星探测任务已经开始考虑采用环帆伞来获得足够的阻力性能。同时,在超声速条件下,由于稳定性的需要,透气性对降落伞系统减速性能的影响研究日益受到重视。文章基于计算流体力学方法对不同孔隙率的降落伞系统模型进行数值模拟,旨在分析开缝位置及孔隙率对环帆伞气动性能的影响机理。结果表明:在马赫数为2的大拖拽距离比条件下,无缝环帆伞系统流场与盘–缝–带伞有较大区别,主要表现在伞前激波的形成过程及前体尾流和伞前激波的作用阶段上。此外,开缝产生的孔隙率对环帆伞的减速性能有较大影响。开缝伞形的阻力性能劣于无缝伞形,但稳定性能显著高于无缝伞形。而前缝伞形的稳定性能及阻力性能均优于后缝伞形。该结果对超声速降落伞的伞型结构透...