火星探測降落傘模型高速風(fēng)洞變迎角試驗技術(shù)

楊賢文，郝 東，易國慶，師建元，郭 鵬

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，綿陽 621000)

0 引 言

深空探測對帶動國民經(jīng)濟(jì)和促進(jìn)科技發(fā)展及人類發(fā)展具有重大意義，火星是太陽系中與地球最為相似的行星，美國航空航天局(NASA)、歐洲的太空局(ESA)、日本的航空航天探索局(JAXA)、俄羅斯和印度等都有關(guān)于火星探索的科研項目[1]，火星探測研究在我國也受到高度重視，發(fā)展并掌握火星探測技術(shù)是國內(nèi)面臨的一項重要科研任務(wù)。

火星探測進(jìn)入、下降與著陸(EDL)技術(shù)是火星探測的關(guān)鍵技術(shù)之一。盡管火星表面的大氣壓力不及地球表面的1%，但降落傘仍是火星探測著陸過程中最有效的一種減速工具[2]。降落傘在超聲速條件下開傘使著陸器減速，當(dāng)著陸器減速至低亞聲速，降落傘與著陸器分離。迄今為止，美國是火星探測最成功的國家，其向火星成功發(fā)射的登陸探測器有：海盜號(Viking)[3]、火星探路者(MPF)[4-5]、火星探測漫游者(MER)[6-7]、鳳凰號(PHX)[8-9]、火星科學(xué)實驗室(MSL)[10-12]、洞察號(InSight)，其采用的降落傘均為盤縫帶傘。盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的頂幅如平面圓形傘，中間開有頂孔，側(cè)邊是一個近似于圓柱形的圍幅，在頂幅與側(cè)幅之間留有較寬的縫隙，此傘穩(wěn)定性較好，偏擺角一般在±5°～10°之間。盤縫帶傘的阻力系數(shù)與結(jié)構(gòu)透氣量和下降速度等有關(guān)，約為0.4～0.7。

圖1 盤縫帶傘Fig.1 Disk-gap-band parachute

國內(nèi)對火星探測器降落傘動力學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，高興龍等[13]開展了火星探測器開傘過程動力學(xué)特性數(shù)值仿真研究；張青斌等[14]采用降落傘減速階段的九自由度動力學(xué)模型，仿真分析了降落傘減速階段火星探測器物傘系統(tǒng)的動力學(xué)特性，仿真過程中使用的降落傘軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)采用Fluent軟件計算獲得，未進(jìn)行風(fēng)洞試驗驗證。為了獲得火星探測器物傘系統(tǒng)動力學(xué)仿真中需要使用的降落傘軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)，美國航空航天局蘭利研究中心在TDT風(fēng)洞進(jìn)行了火星探測降落傘模型軸向力、法向力、俯仰力矩系數(shù)測量研究，獲得了火星探測降落傘模型在馬赫數(shù)范圍0.1～0.3、迎角α小于15°時的軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)[15]。國內(nèi)以前未在高速風(fēng)洞開展降落傘模型軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)隨迎角變化特性的試驗研究，為了滿足我國火星探測任務(wù)需求，中國空氣動力研究與發(fā)展中心在2.4 m跨聲速風(fēng)洞(FL-26)開展了火星探測降落傘模型變迎角試驗技術(shù)研究，進(jìn)行了火星探測降落傘模型高速風(fēng)洞變迎角試驗，獲得了火星探測降落傘模型在馬赫數(shù)范圍0.4～0.8、迎角范圍0°～25°時的軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)。本文簡要介紹了研制的試驗裝置、數(shù)據(jù)處理與修正方法及典型試驗結(jié)果。

1 模型與試驗設(shè)備

1.1 模型

試驗的火星探測降落傘模型為盤縫帶傘，傘型結(jié)構(gòu)見圖1。根據(jù)透氣量的不同，降落傘模型分為常規(guī)透氣傘及低透氣傘。降落傘模型投影面積為0.288 m2，名義面積為0.588 m2，名義直徑為0.865 m，傘衣頂孔安裝了一個金屬圓環(huán)。

1.2 風(fēng)洞

本項試驗研究在FL-26跨聲速風(fēng)洞半模試驗段中進(jìn)行。FL-26風(fēng)洞系試驗段橫截面為2.4 m×2.4 m的半回流、暫沖引射式跨聲速風(fēng)洞，試驗馬赫數(shù)范圍為0.3～1.2。迎氣流左側(cè)為轉(zhuǎn)窗機(jī)構(gòu)壁，轉(zhuǎn)窗直徑為1 m。試驗的火星探測降落傘模型零迎角時在風(fēng)洞試驗段中的堵塞度為5%。

1.3 模型支撐裝置

模型支撐裝置主要由前支架、后支架、風(fēng)洞側(cè)壁轉(zhuǎn)盤等部件組成(見圖2)。前支架主要包括主桿、上輔桿、下輔桿、前天平保護(hù)罩、前天平連接頭和轉(zhuǎn)子等。后支架主要包括主桿、上輔桿、下輔桿、后天平移動臺、后天平連接頭和載荷測量桿等。風(fēng)洞試驗時，降落傘模型與轉(zhuǎn)子連接，轉(zhuǎn)子與固定在前支架上的前測力天平相連。后天平固定在后支架上，后天平前端安裝了載荷測量桿，載荷測量桿沿著降落傘模型軸線穿過傘頂孔的金屬圓環(huán)，降落傘模型通過頂孔的金屬圓環(huán)可以在載荷測量桿上滑動。前、后支架均固定在風(fēng)洞試驗段的側(cè)壁轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動改變載荷測量桿的迎角，即改變降落傘模型的試驗迎角。

圖2 模型支撐裝置示意圖Fig.2 Schematic of the model test fixture

1.4 天平

測量降落傘模型氣動力和力矩的前、后天平為六分量電阻應(yīng)變天平。

2 數(shù)據(jù)處理與修正

試驗過程中，對天平測力結(jié)果及流場參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采集，采樣頻率300 Hz，本文給出的氣動力系數(shù)測值為流場穩(wěn)定階段氣動力系數(shù)連續(xù)采集結(jié)果取平均獲得，并對暴露在氣流中的轉(zhuǎn)子等部件的附加氣動力、支撐干擾及洞壁干擾進(jìn)行了扣除修正。通過不安裝降落傘模型的風(fēng)洞試驗可以直接獲得暴露在氣流中的轉(zhuǎn)子等部件的附加氣動力。

2.1 支撐干擾修正

支撐阻力干擾因子Kαs表示如下[15]：

Kαs=1+KαKs

(1)

式中：Kα為支撐裝置迎角對阻力的影響系數(shù)，Ks為0°迎角時支撐阻力干擾因子。

Kα為不同迎角時支撐裝置前支架沿氣流方向在降落傘模型上投影面積與0°迎角時前支架投影面積的比值[15]。本項試驗研究中，根據(jù)支架外形及降落傘模型幾何外形可得：α=0°，Kα=1.0；α=2.5°，Kα=0.96；α=5°，Kα=0.8；α=7.5°，Kα=0.48；α=10°～25°，Kα=0。

選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，采用有限體積法求解N-S方程，分別計算0°迎角降落傘模型前方有、無支撐裝置時的阻力系數(shù)，通過式(2)獲得0°迎角時支撐阻力干擾因子Ks，圖3、圖4分別給出了有、無支撐裝置的降落傘模型阻力特性計算網(wǎng)格圖，計算結(jié)果見表1。

(2)

圖3 有前支架的計算網(wǎng)格圖Fig.3 Computational grid of parachute model with front truss

圖4 無前支架的計算網(wǎng)格圖Fig.4 Computational grid of parachute model without front truss

表1 支撐阻力干擾因子KαsTable 1 Strut drag interference factor Kαs

2.2 洞壁干擾修正

2.2.1實壁洞壁

降落傘在大氣中工作是無洞壁約束的，風(fēng)洞試驗時，風(fēng)洞洞壁的存在使繞降落傘模型的流場發(fā)生改變。采用有限體積法求解N-S方程，分別計算有、無風(fēng)洞實壁洞壁約束時降落傘模型的阻力系數(shù)，通過式(3)獲得風(fēng)洞實壁洞壁干擾引起的速壓修正因子Kq實壁，圖5給出了無風(fēng)洞實壁洞壁狀態(tài)的計算網(wǎng)格圖，去掉風(fēng)洞實壁洞壁外的計算網(wǎng)格可以獲得風(fēng)洞實壁洞壁狀態(tài)的計算網(wǎng)格，這樣做可以抵消掉有、無風(fēng)洞實壁洞壁約束計算時由于網(wǎng)格生成的差異引起的誤差。

(3)

圖5 無風(fēng)洞實壁洞壁時的計算網(wǎng)格圖Fig.5 Computational grid of parachute model in a freE-air boundary condition

2.2.2透氣壁洞壁

參考文獻(xiàn)[16]給出了速壓修正因子隨模型堵塞度及洞壁開閉比變化的規(guī)律(見圖6)，參考文獻(xiàn)[17]給出了透氣壁速壓修正隨Ma變化較小的研究結(jié)果。FL-26跨聲速風(fēng)洞半模試驗段洞壁為綜合開孔率4.8%的透氣壁，本項試驗研究中，依據(jù)上述求解N-S方程獲得的實壁洞壁干擾引起的速壓修正因子Kq實壁及圖6給出的開閉比對洞壁干擾影響規(guī)律進(jìn)行插值計算，計算得到FL-26跨聲速風(fēng)洞半模試驗段洞壁干擾引起的速壓修正因子Kq：Ma=0.4和Ma=0.6時，Kq=1.04；Ma=0.8時，Kq=1.05。

圖6 模型堵塞度及洞壁開閉比對速壓修正因子的影響Fig.6 Model blockage correction as a function of geometric blockage ratio and wall open area ratio

此外，若在模型測力的同時，測出透氣壁洞壁附近的壓力分布，作為透氣壁洞壁的邊界條件，采用有限體積法求解N-S方程，可以獲得風(fēng)洞透氣壁洞壁約束條件下的模型阻力系數(shù)，再以遠(yuǎn)場邊界條件計算無風(fēng)洞洞壁約束條件下的模型阻力系數(shù)，二者之比即是透氣壁洞壁干擾引起的速壓修正因子Kq。本項試驗研究中，未進(jìn)行壁壓測量，故未采用上述壁壓信息法計算風(fēng)洞透氣壁洞壁干擾引起的速壓修正因子Kq。

2.3 氣動力系數(shù)計算

對風(fēng)洞試驗中的降落傘模型氣動力進(jìn)行分析[15]，如圖7所示，N1，N2分別為前、后天平測得的法向力，T1，T2分別為前、后天平測得的軸向力，MZ2為后天平測得的俯仰力矩。

圖7 前、后天平測力示意圖Fig.7 Schematic of force and moment components measured by front and rear wind tunnel balances

降落傘模型軸向力系數(shù)為:

(4)

式中：Kαs為支撐阻力干擾因子，Kq為洞壁干擾引起的速壓修正因子，q為來流速壓，A0為降落傘模型名義面積。

降落傘模型法向力系數(shù)為

(5)

如圖8所示，A，E分別為前、后天平的校心，B為傘繩匯結(jié)點，D為降落傘對載荷測量桿施力的作用點，C為降落傘的壓力中心。

圖8 氣動力系數(shù)測量示意圖Fig.8 Schematic of aerodynamic coefficient measurement

(6)

(7)

取傘繩匯結(jié)點B為力矩參考點，則降落傘模型的俯仰力矩系數(shù)按式(8)計算，其中，D0為降落傘模型的名義直徑。

(8)

3 典型試驗結(jié)果

3.1 軸向力特性

圖9給出了火星探測降落傘模型的軸向力系數(shù)隨迎角的變化曲線。降落傘模型的軸向力系數(shù)隨迎角變化較小，在Ma=0.4和Ma=0.6時，低透氣傘軸向力系數(shù)較常規(guī)透氣傘增大，在Ma=0.8時，低透氣傘軸向力系數(shù)較常規(guī)透氣傘減小。

圖9 降落傘模型軸向力系數(shù)隨迎角的變化曲線Fig.9 Axial force coefficient versus angles of attack for model parachute

3.2 法向力特性

圖10為火星探測降落傘模型的法向力系數(shù)隨迎角的變化曲線。常規(guī)透氣傘的法向力系數(shù)隨迎角增大而增大，在Ma=0.4和Ma=0.6時，低透氣傘的法向力系數(shù)在小迎角時隨迎角增大而減??；低透氣傘的法向力系數(shù)較常規(guī)透氣傘減小，這可能是由于低透氣傘上半部分傘衣外表面繞流較常規(guī)透氣傘更易發(fā)生流動分離所致。

圖10 降落傘模型法向力系數(shù)隨迎角的變化曲線Fig.10 Normal force coefficient versus angles of attack for model parachute

3.3 靜穩(wěn)定特性

圖11為火星探測降落傘模型的俯仰力矩系數(shù)隨迎角的變化曲線。在Ma=0.4～0.8時，常規(guī)透氣傘靜穩(wěn)定，在Ma=0.4和Ma=0.6時，低透氣傘在零迎角時靜不穩(wěn)定，出現(xiàn)了非零配平迎角(降落傘模型Cm=0且dCm/dα<0對應(yīng)的迎角為配平迎角，見參考文獻(xiàn)[15])。低透氣傘的靜穩(wěn)定性較常規(guī)透氣傘減小，這是由于低透氣傘的法向力系數(shù)較常規(guī)透氣傘減小所致。

圖11 降落傘模型俯仰力矩系數(shù)隨迎角的變化曲線Fig.11 Pitching moment coefficient versus angles of attack for model parachute

3.4 傘衣塌陷迎角

常規(guī)透氣傘下半部分傘衣在Ma=0.4～0.6、α=20°及Ma=0.8、α=15°時出現(xiàn)塌陷，低透氣傘下半部分傘衣在Ma=0.4～0.6、α=25°及Ma=0.8、α=20°時出現(xiàn)塌陷，這是由于迎角較大時，下半部分傘衣的內(nèi)表面壓力低于其外表面壓力所致。

4 結(jié) 論

通過本項研究，得出以下結(jié)論：

1)建立的火星探測降落傘模型高速風(fēng)洞變迎角試驗技術(shù)已成功應(yīng)用于火星探測降落傘模型軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)測量，該技術(shù)也適用于其它類型降落傘模型。

2)火星探測降落傘模型的軸向力系數(shù)隨迎角變化較小。

3)常規(guī)透氣傘的法向力系數(shù)隨迎角增大而增大，在Ma=0.4和Ma=0.6時，低透氣傘的法向力系數(shù)在小迎角時隨迎角增大而減小，低透氣傘的法向力系數(shù)較常規(guī)透氣傘減小。

4)在Ma=0.4～0.8時，常規(guī)透氣傘靜穩(wěn)定，低透氣傘的靜穩(wěn)定性較常規(guī)透氣傘減小，在Ma=0.4和Ma=0.6時，低透氣傘在零迎角時靜不穩(wěn)定，出現(xiàn)了非零配平迎角。

5)在較大迎角時，火星探測降落傘模型下半部分傘衣出現(xiàn)塌陷。