火星盤縫帶傘跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)研究

高樹義 戈嗣誠 梁艷

(1 西北工業(yè)大學(xué)航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072) (2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

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火星盤縫帶傘跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)研究

高樹義1,2戈嗣誠2梁艷2

(1 西北工業(yè)大學(xué)航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072) (2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

火星著陸器在進(jìn)入減速著陸過程中降落傘是必需的氣動力減速裝置，然而火星大氣的特殊性使得火星降落傘開傘工作時具有超聲速、低密度、低動壓的特點(diǎn)，因而火星降落傘的構(gòu)型、參數(shù)選擇非常關(guān)鍵。文章在對火星盤縫帶傘進(jìn)行理論分析和國際應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，選取四種典型結(jié)構(gòu)參數(shù)的盤縫帶傘型，即常規(guī)透氣量和低透氣量的探路者型和海盜型傘型，在中國國內(nèi)首次進(jìn)行了亞-跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)，對這四種傘型在亞-跨聲速下的阻力特性和穩(wěn)定性開展研究。風(fēng)洞試驗(yàn)采用橫梁式測力天平測量阻力，同時用影像設(shè)備觀察傘的擺動角度。研究結(jié)果表明，盤縫帶傘的跨聲速段阻力系數(shù)與理論值基本相符，能夠滿足火星環(huán)境下的減速需要；盤縫帶傘隨阻力系數(shù)增加穩(wěn)定性降低，設(shè)計(jì)中必須兼顧考慮。

進(jìn)入減速；盤縫帶傘； 跨聲速；風(fēng)洞試驗(yàn)；火星著陸器

1 引言

圖1 盤縫帶傘的外形 Fig.1 Inflated shape of disk-gap-band parachute

中國現(xiàn)已開展火星著陸探測工程任務(wù)，而降落傘是著陸器降落火星過程中必需的氣動力減速裝置[1]。火星降落傘的開傘環(huán)境具有超聲速、低密度、低動壓的特點(diǎn)，相比地球回收，在火星降落工作過程中面臨開傘困難、開傘不穩(wěn)定、阻力系數(shù)下降等問題。因此，在傘型的選擇過程中，需要對火星降落傘在超聲速條件下的工作性能進(jìn)行研究，通過大量的地面模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證降落傘的各項(xiàng)工作性能[2]。

盤縫帶傘是典型的超聲速、低密度降落傘傘型，在超聲速、低密度開傘條件及工作環(huán)境中穩(wěn)定性好，充氣性能優(yōu)良，國外已成功實(shí)施的火星著陸任務(wù)均采用了盤縫帶傘。盤縫帶傘是開縫傘的一種，主要由傘衣、傘繩和吊帶等組成。其中傘衣由平面圓形“盤”和圓筒形“帶子”組成，中間有較寬縫隙將兩者垂直分開，傘衣幅頂部呈三角形，底部呈矩形。盤縫帶傘外形如圖1所示。

盤縫帶傘按其結(jié)構(gòu)型式，可分為“海盜”(Viking)型和“探路者”(MPF)型兩類，其傘衣盤帶面積比、傘衣結(jié)構(gòu)透氣量存在明顯差異。Viking型盤縫帶傘阻力性能較好，穩(wěn)定性偏弱，傘衣的結(jié)構(gòu)透氣量在12.5%左右，傘衣盤帶面積比在52∶35左右；而MPF型盤縫帶傘的穩(wěn)定性較好，阻力性能偏弱，傘衣的結(jié)構(gòu)透氣量在9%～10%之間，傘衣盤帶面積比在37∶53左右。Viking型盤縫帶傘應(yīng)用于“海盜號”、“鳳凰號”及“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的減速任務(wù)，而MPF型盤縫帶傘應(yīng)用于“火星探路者”、“勇氣號”與“機(jī)遇號”減速任務(wù)。

雖然盤縫帶傘傘型具有國外成功的經(jīng)驗(yàn)，可以作為初期方案進(jìn)行研究，但是火星降落傘對于火星探測任務(wù)成敗關(guān)系重大，盤縫帶傘具體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和特性參數(shù)并無資料借鑒，必須自主開展相關(guān)研究，獲得真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為型號研制奠定基礎(chǔ)。

火星降落傘的開傘條件具有超聲速、低密度、低動壓的特點(diǎn)；工作過程具有速域廣、密度低的特點(diǎn)，從開傘過程的超聲速段，經(jīng)歷跨聲速、亞聲速，穩(wěn)降至脫傘時刻一般減速至幾十米每秒以下的低速范圍。風(fēng)洞試驗(yàn)是獲得降落傘的氣動性能參數(shù)的重要研制途徑。

一般來講，跨聲速段是降落傘的氣動性能最不穩(wěn)定的階段，阻力系數(shù)和穩(wěn)定性存在劇烈變化，其氣動參數(shù)也較難準(zhǔn)確獲得；跨聲速段也是火星降落傘主要關(guān)注的速域范圍。因此有必要對火星降落傘進(jìn)行跨聲速范圍內(nèi)的風(fēng)洞試驗(yàn)，測量阻力系數(shù)和穩(wěn)定性。同時，由于跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)在具有稠密大氣的地表面環(huán)境中進(jìn)行，試驗(yàn)動壓較高，無法模擬低密度和低動壓條件，因此跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)只研究馬赫數(shù)對降落傘的氣動性能參數(shù)的影響。

本文針對火星盤縫帶傘傘型，設(shè)計(jì)了四種不同參數(shù)的試驗(yàn)傘，在中國首次進(jìn)行了跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)，獲取了盤縫帶傘在跨聲速范圍內(nèi)的氣動特性，為火星降落傘提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

受風(fēng)洞尺寸及風(fēng)洞阻塞比限制，試驗(yàn)用盤縫帶不能采用全尺寸模型，只能采用縮比模型。根據(jù)火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)降落傘的研制經(jīng)驗(yàn)[3]，縮比傘與全尺寸傘在風(fēng)洞試驗(yàn)中的性能無明顯差異，穩(wěn)定狀態(tài)下的阻力系數(shù)僅相差4%，充氣性能與穩(wěn)定性也相似。因此，可以利用縮比試驗(yàn)傘的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對全尺寸降落傘進(jìn)行性能評估[4]。為了獲取Viking型和MPF型兩種盤縫帶傘型的真實(shí)特性參數(shù)，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了MPF型和Viking型兩類盤縫帶傘縮比樣件。同時考慮了傘衣透氣量的影響，每種傘型又分別設(shè)計(jì)了常規(guī)透氣量、低透氣量兩種狀態(tài)，因此，試驗(yàn)縮比傘為兩種傘型，四種參數(shù)。

MPF型盤縫帶傘以2015火星著陸器減速傘方案設(shè)計(jì)為原型， Viking型盤縫帶傘以美國“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(MSL)盤縫帶傘為原型，進(jìn)行縮比。本試驗(yàn)采用1∶6.83縮比的模型傘，縮比后阻力面積為0.15 m2，MPF型試驗(yàn)傘的實(shí)際阻塞比為6.51%，Viking型試驗(yàn)傘的實(shí)際阻塞比為4.34%。試驗(yàn)縮比傘的技術(shù)狀態(tài)如表1所示。

連接帶用于連接縮比傘與測力天平，采用25-2 500芳綸帶，其承載能力為24.5 kN。連接帶的長度根據(jù)風(fēng)洞中攝像頭的視場確定，取值1 m。

表1 試驗(yàn)傘的設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)裝置

圖2 盤縫帶傘跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)示意 Fig.2 Transonic wind tunnel tests of disk-gap-band parachutes

盤縫帶傘跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)方案如圖2所示。試驗(yàn)傘與連接帶相連，連接帶與測力天平相連(連接帶與測力天平之間有旋轉(zhuǎn)接頭，用于消除轉(zhuǎn)動力矩的傳遞)，測力天平固定在支架上。風(fēng)洞啟動達(dá)到預(yù)定的馬赫數(shù)并穩(wěn)定后，測量載荷與動壓，換算出試驗(yàn)傘的阻力面積，同時拍攝試驗(yàn)傘充氣狀態(tài)。

火星大氣與地球大氣相比，具有低壓、低密度的特點(diǎn)，其表面大氣密度和大氣壓強(qiáng)平均值分別為0.015 kg/m3和610 Pa，僅為地球海平面處的1%和0.6%。火星探測任務(wù)中，根據(jù)火星進(jìn)入減速系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，確定降落傘的開傘馬赫數(shù)一般在1.0～2.0。試驗(yàn)馬赫數(shù)分為三段：Ma=0.6～0.8，Ma=0.9～1.0，Ma=1.15，每段離散定點(diǎn)測量縮比傘的阻力面積。

3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)在試驗(yàn)段截面尺寸為2.4m×2.4m跨聲速風(fēng)洞中進(jìn)行，吹風(fēng)速度范圍從馬赫數(shù)0.4到馬赫數(shù)1.15，當(dāng)?shù)芈曀贋?40m/s。試驗(yàn)過程中，測量獲得的參數(shù)分別為降落傘載荷與動壓。降落傘載荷通過安裝在降落傘連接帶根部的測力天平進(jìn)行測量。動壓按公式0.7×P×Ma×Ma得出，測得靜壓P及總壓P0，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以確定Ma，再根據(jù)上述公式可確定動壓[5]。試驗(yàn)分為兩部分：

1)對同一種技術(shù)狀態(tài)的兩具傘(即傘型相同、透氣量相同)分別進(jìn)行試驗(yàn)，考察試驗(yàn)條件和降落傘氣動性能的可重復(fù)性。這里選擇M1型傘，加工了兩具試驗(yàn)傘，分別命名為M1型1號傘和M1型2號傘。

2)對四種狀態(tài)的試驗(yàn)傘分別進(jìn)行試驗(yàn)，考察和對比不同技術(shù)狀態(tài)下盤縫帶的氣動特性。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)共進(jìn)行了五次，每個試驗(yàn)架次包含縮比傘每種參數(shù)下三個馬赫數(shù)工況。各工況的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)情況

4.1 阻力特性

表征降落傘阻力特性的指標(biāo)是阻力系數(shù)Cd，本試驗(yàn)根據(jù)測力天平的實(shí)測載荷和試驗(yàn)馬赫數(shù)下實(shí)測動壓，得到縮比試驗(yàn)傘在各試驗(yàn)點(diǎn)上的阻力系數(shù)。

(1)同種技術(shù)狀態(tài)的試驗(yàn)傘結(jié)果

圖3給出了同一種技術(shù)狀態(tài)的M1型1號傘、2號傘的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化曲線?？梢钥闯?，M1型傘的阻力系數(shù)在整個亞聲速、跨聲速試驗(yàn)范圍內(nèi)較平穩(wěn)，1號傘和2號傘的阻力系數(shù)均值分別為0.438和0.425。在Ma=0.9～1.0的跨聲速段，阻力面積略有波動，波動幅度也僅在0.04左右。

由圖3可以看出，同種技術(shù)狀態(tài)的兩具傘，其阻力特性測量結(jié)果一致，表明本次跨聲速風(fēng)洞的試驗(yàn)條件和測量條件達(dá)到了開展降落傘風(fēng)洞試驗(yàn)的要求。

(2)不同試驗(yàn)傘對比

圖4給出了四種不同技術(shù)狀態(tài)的試驗(yàn)傘：M1型傘、M2型傘、V1型傘、V2型傘的阻力面積隨馬赫數(shù)的變化曲線。

由圖4可以看出，結(jié)構(gòu)型式和透氣量對盤縫帶傘的阻力面積有顯著影響。對于同種透氣量傘衣而言，MPF型傘的阻力面積明顯大于Viking型傘的阻力面積；而對于同一種傘型而言，低透氣量材料傘衣的阻力面積明顯大于常規(guī)透氣量材料的傘衣阻力面積。

圖3 M1型兩具傘阻力系數(shù)對比Fig.3 Comparison of drag coefficient oftwo M1 parachute models

圖4 四種狀態(tài)傘的阻力面積隨馬赫數(shù)變化Fig.4 Variety of drag areas of four parachute models to Mach number

圖5 四種狀態(tài)盤縫帶傘的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 Fig.5 Variety of drag coefficients of four parachute models to Mach number

圖5給出了四種不同技術(shù)狀態(tài)的試驗(yàn)傘的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化曲線?？梢钥闯?，在亞、跨聲速范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)形式和透氣量對盤縫帶傘的阻力系數(shù)有顯著影響。對于同種透氣量傘衣而言，Viking型傘的阻力系數(shù)大于MPF型傘的阻力系數(shù)；而對于同一種傘型而言，傘衣材料的透氣量減小會引起阻力系數(shù)的顯著增加。

低速條件下，盤縫帶傘的阻力系數(shù)隨速度的增加有增加趨勢，其變化過程平緩；跨聲速階段，盤縫帶傘的阻力系數(shù)呈現(xiàn)出一定的波動，常規(guī)透氣量的Viking型傘和低透氣量的MPF型傘的阻力系數(shù)關(guān)系與低速情況相比，發(fā)生了變化[6-8]。

4.2 穩(wěn)定性分析

試驗(yàn)過程中，通過拍照和錄像，定性觀察了試驗(yàn)傘的穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，四種傘型均順利充滿，其充氣性良好。根據(jù)觀察結(jié)果，結(jié)構(gòu)型式和透氣量對盤縫帶傘的穩(wěn)定性有明顯影響。對于同種傘型，低透氣量材料的傘衣有劇烈擺動現(xiàn)象，擺動角度達(dá)到20°左右，穩(wěn)定性較差；常規(guī)透氣量材料傘衣充氣后無明顯擺動現(xiàn)象，穩(wěn)定性良好。兩種傘型的對比發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)透氣量材料下，MPF型傘比Viking型傘更穩(wěn)定，擺幅更小。

5 結(jié)果對比分析

Viking型傘在研制過程中，對降落傘和傘加前體分別進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，獲取了盤縫帶傘在無前體和有前體條件下的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化曲線，如圖6所示[9]。

圖6 海盜號降落傘的風(fēng)洞試驗(yàn)阻力系數(shù) Fig.6 Drag coefficient of Viking parachute from wind tunnel tests

本文的試驗(yàn)中無前體。通過對比圖5、圖6可以看出，在Ma=0.6～1.15范圍內(nèi)，Viking降落傘在無前體條件下，其阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)逐漸增加，在馬赫數(shù)0.8左右達(dá)到最大值0.653。經(jīng)過馬赫數(shù)1.0處“跨聲速溝壑”，在馬赫數(shù)1.15處回升至0.6。本文的試驗(yàn)中，低透氣量Viking型傘在Ma=0.6～1.15范圍內(nèi)的阻力系數(shù)變化趨勢與Viking降落傘基本一致，阻力系數(shù)在0.620～0.667范圍內(nèi)，并且阻力系數(shù)均值與海盜號降落傘的偏差量為2.7%，試驗(yàn)結(jié)果較理想。

6 結(jié)束語

本研究在中國首次開展了縮比盤縫帶傘跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)，并研究了四種結(jié)構(gòu)參數(shù)的盤縫帶傘的阻力性能和穩(wěn)定性。結(jié)論如下：

1)在亞、跨聲速范圍內(nèi)，盤縫帶傘的阻力性能、穩(wěn)定性比較平穩(wěn)，無陡變現(xiàn)象，充氣性能良好，同種技術(shù)狀態(tài)盤縫帶傘的氣動性能重復(fù)性比較好；

2)不同結(jié)構(gòu)形式盤縫帶傘的氣動性能有顯著差別。MPF型傘的阻力系數(shù)較小，穩(wěn)定性較好；Viking型傘阻力系數(shù)較大，穩(wěn)定性較弱；

3)透氣量對于盤縫帶傘的氣動性能有顯著影響。透氣量減小，引起阻力系數(shù)增加，降低穩(wěn)定性；反之，透氣量增加會引起阻力系數(shù)的減小和穩(wěn)定性的增加。原因在于，不同透氣量引起傘衣內(nèi)外壓差不同，導(dǎo)致傘衣產(chǎn)生的阻力不同：透氣量大壓差會減小，阻力也減??；反之阻力增加。同時，傘衣內(nèi)外壓差變化還導(dǎo)致外部流場的變化，阻力增加時內(nèi)外壓差也比較大，流場更加不穩(wěn)定，導(dǎo)致降落傘的穩(wěn)定性降低。

4)對于今后火星減速傘傘型參數(shù)的選擇，需要根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，綜合考慮降落傘的阻力性能和穩(wěn)定性要求。著陸器姿態(tài)可控時，穩(wěn)定性要求可以放寬，可以選擇阻力性能高的傘型；著陸器姿態(tài)不可控時，需要利用降落傘增加著陸穩(wěn)定性，應(yīng)選擇阻力性能低一些但穩(wěn)定性好的傘型[10]。

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高樹義 1973年生，2006年獲國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為西北工業(yè)大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)博士研究生。研究方向?yàn)轱w行器設(shè)計(jì)。

(編輯：車曉玲)

Research on Transonic Wind Tunnel Tests of Mars Disk-Gap-Band Parachutes

GAO Shuyi1,2GE Sicheng2LIANG Yan2

(1 National Key Laboratory of Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072)(2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094)

In the Mars entry decelerate landing program，the parachute is a key instrument of the aerodynamic decelerator system. Because of the particularity of the Mars atmosphere，the parachute used for the Mars misson deploys under the supersonic，low density，low dynamic pressure conditions. So the construction and sizing of the Mars parachute is much important. The Mars parachute technology was investigated and analyzed by four types of parachute，considering the disk-band area ratio and porosity of the canopy material. To determine the drag and static stability of the various types of disk-gap-band parachute model，the Mars parachute transonic characteristics test in China was firstly conducted. The front truss and wind tunnel balance was used to measure the axis force on the parachute model，and the photography was used to observe the angle of attack of the parachute. The test results show that，the transonic drag coefficient of the disk-gap-band parachute accords with the theoretical one and can satisfy the Mars mission requirements. It is also observed that the reduction of stability of the disk-gap-band parachute is accompanied by the increasing of the drag performance.

Entry decelerate；Disk-gap-band parachute；Transonic；Wind tunnel tests；Mars lander

2015-02-06。收修改稿日期：2015-05-12

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.04.010