行星探测用柔性降落伞跨/超声速气动特性及耦合机理

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30369

柔性气动减速技术专栏

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行星探测用柔性降落伞跨/超声速气动特性及耦合机理

贾贺¹^,², 蒋伟², 包文龙², 徐欣², 荣伟², 余莉¹()

^1.南京航空航天大学航空学院，南京 210016
^2.北京空间机电研究所，北京 100094

收稿日期:2024-03-11 修回日期:2024-05-22 接受日期:2024-07-08 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-07-24
通讯作者: 余莉 E-mail:yuli_happy@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11972192)

Transonic/supersonic aerodynamic characteristics and fluid-structure interaction mechanism of flexible parachutes for planetary exploration

He JIA¹^,², Wei JIANG², Wenlong BAO², Xin XU², Wei RONG², Li YU¹()

^1.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity，Beijing 100094，China

Received:2024-03-11 Revised:2024-05-22 Accepted:2024-07-08 Online:2025-01-15 Published:2024-07-24
Contact: Li YU E-mail:yuli_happy@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972192)

摘要/Abstract

摘要：

中国针对金星、木星等行星的星际探测新征程已经开启，且正在论证之中。然而，这些行星均具有稠密的大气和更高的大气压力，这与地球、火星的大气环境有较大区别。在以往成功的行星探测中发现，此类复杂的行星大气环境中的气动减速过程需要多级降落伞来完成，且需在跨/超声速条件下开伞和工作，同时第一级引导伞的名义直径会明显小于主伞，也小于前体直径，不同尺寸的两级伞与前体之间的流固耦合机理及其气动特性至今尚不明确，同时相关研究报道亦极少。本文基于稠密大气行星探测任务中适用的锥形带条伞和盘缝带伞，采用浸入边界方法研究不同行星大气环境中柔性降落伞工作过程的流固耦合机理，深入考察不同来流马赫数、伞型、大气成分及参数与直径比影响下的流固耦合特性。研究结果发现：土卫六大气环境中，盘缝带伞（直径比0.3）在跨声速时进行稳降，随着时间变化，伞衣的投影面积逐渐增大，阻力系数在马赫数1.5时达到最大，但其波动变化随着马赫数的增大而单调增大。另外，在马赫数为0.95、直径比0和1时伞衣均出现了极为剧烈的摆动现象。相比之下，木星大气环境中，跨声速条件下锥形带条伞伞衣随着时间推进，投影面积变化越来越小。阻力系数及其波动会随着马赫数增大而单调增大，横向力系数及其波动程度在马赫数1.5时出现最大。最后比较土卫六、金星和木星大气环境中的降落伞气动表现，发现木星大气环境中锥形带条伞性能最佳，阻力系数较大，且稳定性较好。

关键词: 深空探测, 跨/超声速降落伞系统, 气动特性, 流固耦合机理, 气动减速技术

Abstract:

Further missions of China’s planetary exploration projects to the Venus， the Jupiter and others have been initiated， and the key technical research is underway. However， these planets have significantly different atmospheric environments from those of the Earth and the Mars， with dense atmospheres and higher atmospheric pressures. Previous successful planetary explorations reveal that the aerodynamic deceleration process in such complex planetary atmospheric environments requires multi-stage parachutes and transonic/supersonic conditions for parachute opening and operation. Meanwhile， the nominal diameter of the first stage guide parachute is significantly smaller than that of the main parachute and the forebody diameter. With few related research reports， the fluid structure interaction mechanism and the aerodynamic characteristics between two-stage parachutes of different sizes and the forebody are still unclear. In this research， based on conical ribbon parachutes and disk-band-gap parachutes suitable for dense atmospheric planetary exploration missions， the fluid structure interaction mechanism of flexible parachutes in different planetary atmospheric environments is numerically studied using the immersion boundary method， and the aerodynamic characteristics with different freestream Mach numbers， canopy types， atmospheric components， and parameter to diameter ratios are investigated.Results show that in the atmospheric environment of the Titan， the conical ribbon canopy （with a diameter ratio of 0.3） steadily descends at transonic speeds， and the projected area of the canopy increases over time. The drag coefficient reaches its maximum at Mach number 1.5， while its fluctuation monotonically increases with the increase of the Mach number. In addition， at Mach number 0.95， the canopies exhibit extremely severe oscillation when the diameter ratios are 0 and 1. In contrast， in the atmospheric environment of the Jupiter， when the freestream Mach number is transonic， the change in the projected area of the conical ribbon canopy becomes smaller over time. The drag coefficient and its fluctuation will monotonically increase with the increase of the Mach number， and the lateral force coefficient and its fluctuation reach their maximum at Mach number 1.5. Finally， a comparison is made between the stable descent process of parachutes in the atmospheric environments of the Titan， the Venus， and the Jupiter， showing that the conical ribbon canopy in the Jupiter atmospheric environment has the best performance， a larger drag coefficient， and better stability.

Key words: deep space exploration, transonic/supersonic parachutes, aerodynamic characteristics, fluid-structure interaction mechanism, aerodynamic decelerating technology

中图分类号:

V411.3

贾贺, 蒋伟, 包文龙, 徐欣, 荣伟, 余莉. 行星探测用柔性降落伞跨/超声速气动特性及耦合机理[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630369.

He JIA, Wei JIANG, Wenlong BAO, Xin XU, Wei RONG, Li YU. Transonic/supersonic aerodynamic characteristics and fluid-structure interaction mechanism of flexible parachutes for planetary exploration[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 630369.

图/表 33

表1

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参考文献 37

1	叶培建，杨孟飞，彭兢，等. 中国深空探测进入/再入返回技术的发展现状和展望［J］. 中国科学（技术科学）， 2015， 45（3）： 229-238.
	YE P J， YANG M F， PENG J， et al. Review and prospect of atmospheric entry and earth reentry technology of China deep space exploration［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2015， 45（3）： 229-238 （in Chinese）.
2	林斌，江长虹，吴卓. 降落伞在太空探测中的应用［C］∥2011年第二十四届全国空间探测学术交流会. 2011： 1-13.
	LING B， JIANG C H， WU Z. Parachute applications for space exploration ［C］‍∥‍24th National Academic Exchange Conference on Space Exploration. 2011： 1-13. （in Chinese）
3	CRUZ J， LINGARD J. Aerodynamic decelerators for planetary exploration： Past， present， and future［C］‍∥Proceedings of the AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2006.
4	HASSANALIAN M， RICE D， ABDELKEFI A. Evolution of space drones for planetary exploration： A review［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2018， 97： 61-105.
5	NOLTE L， SOMMER S. Probing a planetary atmosphere-Pioneer Venus spacecraft description［C］‍∥Proceedings of the Conference on the Exploration of the Outer Planets. Reston： AIAA， 1975.
6	CORRIDAN R， GIVENS J， KEPLEY B. Transonic wind-tunnel investigation of the Galileo Probe parachute configuration［C］‍∥Proceedings of the 8th Aerodynamic Decelerator and Balloon Technology Conference. Reston： AIAA， 1984.
7	LEBRETON J P， MATSON D L. The Huygens probe： Science， payload and mission overview［J］. Space Science Reviews， 2002， 104： 59-100.
8	XUE X P， WEN C Y. Review of unsteady aerodynamics of supersonic parachutes［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2021， 125： 100728.
9	周宁，韦彦靖，贾贺，等. 基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究［J］. 航天返回与遥感， 2023， 44（2）： 1-13.
	ZHOU N， WEI Y J， JIA H， et al. Study on the aerodynamic performances of parachute system based on the jupiter’s atmospheres［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing， 2023， 44（2）： 1-13 （in Chinese）.
10	JIA H， BAO W L， RONG W， et al. Numerical study on aerodynamic characteristics of parachute models for future Jupiter exploration［J］. Space： Science & Technology， 2024， 4： 0116.
11	STEINBERG S， SIEMERS I III P， SLAYMAN R. Development of the Viking parachute configuration by wind tunnel investigation［C］‍∥4th Aerodynamic Deceleration Systems Conference. Reston： AIAA， 1973.
12	MOOG R D， MICHELF C. Balloon launched Viking decelerator test program summary report： NASA CR-112288［R］. Washington， D.C.： NASA， 1973.
13	SENGUPTA A， HALL L， WERNET M. Fluid structure interaction of parachutes in supersonic planetary entry［C］‍∥21st AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar. Reston： AIAA， 2011.
14	RODIER R， THUSS R， TERHUNE J. Parachute design for Galileo Jupiter entry probe［C］‍∥7th Aerodynamic Decelerator and Balloon Technology Conference. Reston： AIAA， 1981.
15	MCMENAMIN H， POCHETTINO L. Galileo parachute system modification program［C］‍∥8th Aerodynamic Decelerator and Balloon Technology Conference. Reston： AIAA， 1984.
16	GAO X L， ZHANG Q B， TANG Q G. Numerical modelling of Mars supersonic disk-gap-band parachute inflation［J］. Advances in Space Research， 2016， 57（11）： 2259-2272.
17	杨雪. 超声速降落伞流场-结构数值仿真关键技术问题研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2019.
	YANG X. Research on key technical problems of numerical simulation of supersonic parachute flow field-structure［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2019 （in Chinese）.
18	KARAGIOZIS K， KAMAKOTI R， CIRAK F， et al. A computational study of supersonic disk-gap-band parachutes using large-eddy simulation coupled to a structural membrane［J］. Journal of Fluids and Structures， 2011， 27（2）： 175-192.
19	XUE X P， JIA H， RONG W， et al. Effect of Martian atmosphere on aerodynamic performance of supersonic parachute two-body systems［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 35（4）： 45-54.
20	HUANG D Z， AVERY P， FARHAT C， et al. Modeling， simulation and validation of supersonic parachute inflation dynamics during Mars landing［C］∥AIAA Scitech 2020 Forum. Reston： AIAA， 2020.
21	BOUSTANI J， KENWAY G， CADIEUX F， et al. Fluid-structure interaction simulations of the ASPIRE SR01 supersonic parachute［C］∥AIAA Scitech 2022 Forum. Reston： AIAA， 2022.
22	代雨柔，李健，荣伟，等．超声速盘缝带伞不同盘收口比下气动性能［J］．航空学报， 2024， 45 （7）： 128811.
	DAI Y R， LI J， RONG W， et al. Aerodynamic characteristics of supersonic disk-gap-band parachute under different reefing ratio［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45 （7）： 128811 （in Chinese）.
23	贾贺. 行星探测用降落伞流固耦合机理及其非定常气动特性研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2024.
	JIA H. Research on the fluid structure coupling mechanism and unsteady aerodynamic characteristics of parachutes for planetary exploration［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2024. （in Chinese）.
24	MCMENAMIN H. Galileo parachute system performance： AIAA-1997-1510［R］. Reston： AIAA， 1997.
25	贾贺，邹天琪，荣伟，等. 不同行星大气下直径比对降落伞气动特性的影响研究［J］. 航天返回与遥感， 2023， 44（1）： 70-83.
	JIA H， ZOU T， RONG W， et al. Influence mechanism of diameter ratio on the aerodynamic performance of permeable parachute system under different atmospheric conditions［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing， 2023， 44（1）： 70-83 （in Chinese）.
26	XUE X P， NAKAMURA Y， MORI K， et al. Numerical investigation of effects of angle-of-attack on a parachute-like two-body system［J］. Aerospace Science and Technology， 2017， 69： 370-386.
27	ADAMS D， RIVELLINI T. Mars science laboratory’s parachute qualification approach［C］∥ 20th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar. Reston： AIAA， 2009.
28	王希季. 航天器进入与返回技术-上册［M］. 北京：宇航出版社， 1991.
	WANG X J. Spacecraft entry and return technology-part I［M］. Beijing： China Astronautic Publishing House， 1991 （in Chinese）.
29	UNDERWOOD J. Development testing of disk-gap-band parachutes for the Huygens probe： AIAA-1995-1549［R］. Reston： AIAA， 1995.
30	ZHANG Z C， COOK Jr G， IM K. Multiphase flow CESE solver in LS-DYNA［C］∥16th International LS-DYNA Users Conference. 2020.
31	ZHANG Z C， COOK Jr G， IM K. Overview of the CESE compressible fluid and FSI solvers［C］∥16th International LS-DYNA Users Conference. 2020.
32	CHANG S C. The method of space-time conservation element and solution element-a new approach for solving the Navier-Stokes and Euler equations［J］. Journal of Computational Physics， 1995， 119（2）： 295-324.
33	白桥栋. CE/SE方法在内弹道两相流中应用的研究［D］. 南京：南京理工大学， 2007.
	BAI Q D. The study of the method of conservation element and solution element and its application on interior ballistic two-phase flow［D］. Nanjing： Nanjing University of Science and Technology， 2007 （in Chinese）.
34	魏兰. 基于CE/SE方法的热环境中炸药复杂响应过程研究［D］. 绵阳：中国工程物理研究院， 2015.
	WEI L. Study on the complex response processes of explosive in thermal environment based on CE/SE method［D］. Mianyang： Institute of Applied Physics and Computational Mathematics， 2015 （in Chinese）.
35	BELYTSCHKO T， LIN J I， CHEN-SHYH T. Explicit algorithms for the nonlinear dynamics of shells［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 1984， 42（2）： 225-251.
36	IM K， COOK Jr G， ZHANG Z C. FSI based on CESE compressible flow solver with detailed finite rate chemistry［C］‍∥16th International Ls-dyna Users Conference. 2020.
37	BOUSTANI J， BROWNE O M F， WENK J F J. F.， et al. Fluid-structure interactions with geometrically nonlinear deformations： AIAA-2019-1896［R］. Reston： AIAA， 2019.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

探测任务	年份	大气主要成分	降落伞类型	名义直径/m²	工作马赫数
Pioneer Venus （金星）	1978	二氧化碳	（1）无肋导向面伞（2）锥形带条伞	（1） 0.76 （2） 4.94	（1） 0.80 （2） 0.80
Galileo （木星）	1995	氢气氦气	（1）锥形带条伞（2）锥形带条伞	（1） 1.14 （2） 3.80	（1） 0.95 （2） 0.95
Huygens （土卫六）	2004	氮气	（1）盘缝带伞（2）盘缝带伞（3）盘缝带伞	（1） 2.59 （2） 8.31 （3） 3.00	（1） 1.47 （2） 1.36 （3） 0.15
MSL （火星）	2010	二氧化碳	盘缝带伞	21.5	1.75

参数	数值	参数	数值
名义面积/m²	0.8	名义直径/m	1.009
伞衣幅数量	12	伞衣幅顶角/（°）	27.64
伞衣幅高度/m	0.521	伞衣幅底边宽度/m	0.256
顶孔三角幅高度/m	0.116	顶孔带长度/m	0.208
顶孔三角幅宽度/m	0.057	水平带数量	11
水平带宽度/mm	25	缝隙宽度/mm	13
伞绳长度/m	1.600	连接带长度/m	8
结构透气量/%	21.3

伞型	模型	最小网格尺度/m	网格数量
锥形带条伞	锥形带条伞模型	0.01	7 984
	Galileo前体（直径比0.3）	0.01	18 952
	Galileo前体（直径比1.0）	0.01	31 416
	流场域模型	0.04	345×10⁴
盘缝带伞	盘缝带伞模型	0.012	3 408
	MSL前体（直径比0.3）	0.018	272
	MSL前体（直径比1.0）	0.030	640
	流场域模型	0.02	562×10⁴

大气环境	大气成分	来流马赫数	来流速度/ （m·s^-1）	来流压强/ Pa	来流密度/ （kg·m^-3）	来流温度/ K	等压比热容/（J·（kg·K）^-1）	等容比热容/（J·（kg·K）^-1）	动力黏度/ （Pa·s）
木星	氢气	0.95	941.1	1.6✕10⁵	0.228	193	14 550	10 390	6.58✕10^-6
木星	氢气	1.1	1 089.7	1.6✕10⁵	0.228	193	14 550	10 390	6.58✕10^-6
木星	氢气	1.5	1 485.9	1.6✕10⁵	0.228	193	14 550	10 390	6.58✕10^-6
木星	氢气	2	1 981.3	1.6✕10⁵	0.228	193	14 550	10 390	6.58✕10^-6
金星	二氧化碳	1.5	433.2	1.6✕10⁵	1.7	350	756	567	1.73✕10^-5
土卫六	氮气	0.95	245.1	6.25✕10⁴	1.31	160	1 039	742	1.07✕10^-5
土卫六	氮气	1.1	283.8	6.25✕10⁴	1.31	160	1 039	742	1.07✕10^-5
土卫六	氮气	1.5	387	6.25✕10⁴	1.31	160	1 039	742	1.07✕10^-5
土卫六	氮气	2	516	6.25✕10⁴	1.31	160	1 039	742	1.07✕10^-5

模型	阻力系数	误差/%
试验结果	0.53
数值模拟结果（0.015 m）	0.50	5.7
数值模拟结果（0.02 m）	0.57	7.5
数值模拟结果（0.03 m）	0.59	11.3
数值模拟结果（0.04 m）	0.60	13.2

行星探测用柔性降落伞跨/超声速气动特性及耦合机理

Transonic/supersonic aerodynamic characteristics and fluid-structure interaction mechanism of flexible parachutes for planetary exploration

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[1]	邹天琪, 薛晓鹏, 赵党军, 杨德贵, 梁步阁. 透气性对盘帆伞充气性能和气动特性的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630373-630373.
[2]	薛晓鹏, 贾贺, 荣伟, 蒋伟, 包文龙, 王臻, 邹天琪, 代雨柔, 周一苇. 高速柔性气动减速器关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 631677-631677.
[3]	孙大智, 陈希, 鲍为成, 卞威, 招启军. 高速直升机机身干扰对推力桨气动与噪声源特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529142-529142.
[4]	张夏阳, 高陈诚, 招启军, 梁家辉. 前飞状态可变弯度翼型/旋翼气动特性[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 630609-630609.
[5]	李海星, 周峰, 颜巍, 白峰, 赵克良. 砂纸冰对民机平尾气动特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128657-128657.
[6]	李斌, 张泽南, 贾飞, 孙健, 刘彦菊, 冷劲松. 变翼尖机翼技术研究现状与发展趋势[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 30042-030042.
[7]	韩译辉, 胡俊, 于勇, 于剑桥. 十字型柔性控制面气动控制力风洞试验验证[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 129280-129280.
[8]	谭永华. 大推力液氧甲烷火箭发动机技术研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(11): 529690-529690.
[9]	常思源, 肖尧, 李广利, 田中伟, 张凯凯, 崔凯. 翼反角对高压捕获翼构型高超气动特性的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 127349-127349.
[10]	包文龙, 贾贺, 薛晓鹏, 黄雪姣, 高树义, 荣伟, 王奇, 吴壮志. 开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 226936-226936.
[11]	何磊, 钱炜祺, 董康生, 易贤, 柴聪聪. 基于卷积神经网络的结冰翼型气动特性建模[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126434-126434.
[12]	徐国栋, 张丹蕾, 徐振东. 脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526185-526185.
[13]	周伟, 马培洋, 郭正, 王道平, 周睿孙. 基于翼尖链翼的组合固定翼无人机研究[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 325946-325946.
[14]	伍强, 徐浩军, 魏扬, 裴彬彬, 薛源. 结冰条件下飞机气动/运动耦合特性[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 125566-125566.
[15]	徐欣, 贾贺, 陈雅倩, 荣伟, 蒋伟, 薛晓鹏. 织物透气性对火星用降落伞气动特性影响机理[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 126289-126289.