Farklı geometrik gözenekliliklerin süpersonik paraşütlerin aerodinamik özelliklerine etkisinin incelenmesi

Sondanın güvenli bir şekilde inmesi, Mars keşfindeki en zorlu zorluklardan biridir ve Mars süpersonik paraşütü bu süreç için son derece önemlidir. Bugüne kadar tüm başarılı Mars keşif görevlerinde disk aralıklı bant (DGB) paraşütleri kullanıldı. Ancak en yüksek çapı 21,35 m olan DGB paraşütü, gelecekte daha yüksek yüklü Mars keşif görevlerinde kullanılamayacak.

NASA tarafından yürütülen disk yelken paraşütleri gibi yeni nesil süpersonik paraşütler, DGB paraşütlerine alternatiftir. Disk yelkenli paraşütler, DGB paraşütlerine göre kanopi yüzeyinde daha büyük gözenekli boşluklara ve daha küçük gözenekli dikişlere sahiptir. Ancak farklı geometrik gözenek yapıları ve konumlarına sahip süpersonik paraşütlerin aerodinamik özellikleri üzerine çok az çalışma bulunmaktadır.

Bu nedenle, gözenekli dikişlerin veya boşlukların ve bunların konumlarının Mars atmosferik koşullarında süpersonik paraşüt sistemlerinin performansı üzerindeki etki mekanizması belirsizliğini koruyor.

Yakın zamanda yayınlanan bir araştırma makalesinde Uzay: Bilim ve TeknolojiAralarında Central South Üniversitesi, Xi’An Jiaotong Üniversitesi, Nanjing Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi, Pekin Uzay Mekaniği ve Elektrik Enstitüsü ve Hong Kong Politeknik Üniversitesi’nin de bulunduğu beş kuruluştan sekiz bilim insanı, yeni süpersonik paraşütün aerodinamik özelliklerini birlikte araştırıyor. Farklı gözeneklilik ve dikiş/boşluk konumları ile gözeneklilik ve gözenekli yapıların konumlarının süpersonik paraşütlerin aerodinamik performansları üzerindeki etki mekanizmasını anlamak.

Yazarlar çalışmada öncelikle paraşüt modelini tanıtmaktadır. Bu çalışmada kullanılan orijinal paraşüt sistemi modeli kapsül ve kanopiyi içermektedir. Kanopi modeli, NASA’nın Düşük Yoğunluklu Süpersonik Yavaşlatıcı (LDSD) uçuş testlerindeki SSDS modelinden tasarlanmıştır ve kapsül modeli, Mars Bilim Laboratuvarı (MSL) sonda modeliyle tutarlıdır.

Kanopi modelinin yapısı, ağızdan kanopi gövdesinin tepesine kadar X ekseni yönünde 4 parçaya bölünmüştür: kanopi bandı, halka 19 – halka 16, halka 15 – halka 10 ve gölgelik diski bir havalandırma ile.

Kanopi modelinde boşluk ve dikiş olmak üzere 2 tip gözeneklilik yapısı vardır. Üst boşluk (G1), halka (10) ile gölgelik diski arasında yer alır ve geometrik gözenekliliği %4’tür. Orta boşluk G2, 16 ve 15 numaralı halkaların arasında yer alır ve geometrik gözenekliliği %3’tür. Dikişler diğer halkalar veya halka ile kanopi bandı arasında bulunur. Dikişin sıra numarası üst halkadan itibaren adlandırılır. Boşlukların büyük geometrik gözenekliliği vardır ve dikişlerin geometrik gözenekliliği küçüktür.

Bu çalışmada, bir kanopi modeli için sadece bir dikişin açık olduğu, farklı tek dikiş konumlarına sahip (tüm modellerde üst havalandırma korunmuş) kanopi modelleri tasarlanmıştır. Bu arada, üst boşluk modeli olan G1 modeli, yalnızca G1’in üst boşluğunu ve üst havalandırmayı koruyan bir modeldir ve orta boşluk modeli olan G2 modeli, yalnızca G2’nin orta boşluğunu ve üst havalandırmayı koruyan bir modeldir. Yukarıdaki dikişler farklı aralıklarla birleştirilerek farklı dikiş ve aralıklara sahip yeni gölgelik modelleri de tasarlanıyor.

Ayrıca bu çalışmada kanopi modeli rijit bir cisim olarak kabul edilmiştir.

Daha sonra yazarlar simülasyonda kullanılan serbest akış koşullarını ve sayısal yöntemleri ortaya koydular. Simülasyonda kullanılan serbest akış koşulları, MSL görevindeki süpersonik paraşütün çalışma yüksekliği ve istikrarlı iniş aşamasında paraşütün çalışma hızları ile tutarlıdır.

Sayısal yöntemlere gelince, süpersonik paraşüt sistemi üzerindeki kararsız akışlar (yani aynı MSL kapsülüne sahip farklı kanopi modelleri), 3 boyutlu sıkıştırılabilir NS denklemlerinin sayısal olarak çözülmesiyle incelenmiştir. Uzaysal ayrıklaştırma için sonlu hacim yöntemi benimsenmiştir ve viskoz olmayan akı terimini hesaplamak için HLLC (Harten-Lax-van Leer-Contact) şeması kullanılmıştır. Ayrıca sayısal salınımları önlemek için TVD polinom enterpolasyon şeması kullanılır.

Ek olarak, süpersonik paraşüt etrafındaki karmaşık kararsız akış alanı yapılarını 1,0×106 zaman adımıyla yakalamak için örtülü 2 zamanlı adımlı bir itme şeması benimsenmiştir.^-4 S.

Son olarak yazarlar sonuçları sunar ve sonuca varırlar. Sayısal sonuçlar aşağıdaki şekilde özetlenmiştir:

(1) Kanopi gövdesinin gözenekli yapılarının, süpersonik paraşüt sisteminin akış alanı modu üzerinde önemli bir etkisi yoktur ve kapsül yüzeyinin basınç dağılımı ve kapsül gövdesi etrafındaki akış alanı yapısı üzerinde çok az etkisi vardır.

(2) Bu çalışmada tek dikişli kanopi modelleri için, daha düşük dikişli modeller (kanopinin alt tarafı) daha iyi sürükleme performansına sahiptir ve S11 ve S17 modelleri daha büyük sürükleme katsayıları ve daha iyi stabilite performansı göstermektedir. Tek aralıklı kanopi modelleri için, G2 modelinin sürükleme katsayısı (0,72), G1 modelininkinden (0,64) önemli ölçüde daha büyük iken, G1’in yanal kuvvet katsayısı dalgalanması (0,072) G2’ninkinden daha küçüktür. modeli (0,091).

(3) Farklı dikişlerin eklenmesiyle G1S modellerinin sürtünme katsayısı, tek G1’li G1 modelinden daha büyüktür. Orijinal G1 modeliyle karşılaştırıldığında, birleştirilmiş G1S modellerinin stabilite performansında önemli bir değişiklik yok. Dikişlerle birleştirilmiş G2S modellerinin sürükleme performansı, orijinal G2 modeline kıyasla azalır; ancak birleştirilmiş G2S modellerinin stabilite performansı, orijinal G2 ile karşılaştırıldığında iyileştirilmiştir.

Ayrıca, bir kanopi için daha uzak dikiş ve boşluk kombinasyonu tasarlandığında, kanopi içindeki basınç, orijinal tekli modele kıyasla temel olarak azalırken, bir kanopi için dikiş ve boşluğun kısa mesafeli kombinasyonu tasarlanmış ve basınç gölgelik içindeki değişiklik küçüktür.

Bu çalışmanın sayısal sonuçları, dikişlerin, boşlukların ve bunların kombinasyonlarının farklı gözeneklilik yapılarına sahip yeni süpersonik paraşütlerin önemli ölçüde farklı aerodinamik performanslar sergilediğini göstermektedir. Daha karmaşık dikiş ve boşluk kombinasyonlarına sahip yeni nesil paraşütler, aerodinamik özelliklerini ve etki mekanizmalarını araştırmak için tasarlanmalıdır.