La sonda china Tianwen-1 Mars aterrizó con éxito en Utopia Plain a las 7:18 a. m., hora de Beijing, el 15 de mayo de 2021. La tasa de éxito de las misiones a Marte es de aproximadamente el 50 %, y la mayoría de las fallas ocurren durante la entrada, el descenso y el aterrizaje (EDL ) fase. Los paracaídas supersónicos de baja densidad juegan un papel vital en la EDL de Marte y determinan directamente el éxito de toda la misión. En un artículo de investigación publicado recientemente en Space:Science &Technology , Mingxing Huang del Instituto de Mecánica Espacial y Electricidad de Beijing llevó a cabo el diseño, desarrollo y calificación del paracaídas Tianwen-1 Mars, que puede proporcionar una referencia para la creación de futuros paracaídas de exploración de Marte.

El autor se centró primero en el análisis y la selección de los tipos de paracaídas de Marte. En comparación con los paracaídas que funcionan en la Tierra, los paracaídas del módulo de aterrizaje de Marte se enfrentan a más problemas. Por un lado, el vuelo abierto del paracaídas de Marte se caracteriza por una velocidad supersónica, baja densidad y baja presión dinámica. Por otro lado, las actividades atmosféricas, como la actividad de vórtices marcianos y las tormentas de polvo, pueden provocar condiciones de apertura de paracaídas difíciles. Por lo tanto, las dificultades para abrir el paracaídas, el inflado inestable y el coeficiente de arrastre reducido deben considerarse en el diseño del paracaídas.

Todos los módulos de aterrizaje extranjeros que lograron con éxito un aterrizaje suave en Marte han utilizado el paracaídas DGB (Disk-Gap-Band), que tiene una buena estabilidad y un excelente rendimiento de inflación en el entorno de trabajo supersónico y de baja densidad. Debido a su rendimiento demostrado a gran altitud y su menor riesgo técnico, el paracaídas DGB con modificaciones de diseño mejoradas se selecciona como candidato para la sonda Tianwen-1 Mars. De acuerdo con la relación entre el área de la banda y el dosel completo, los paracaídas DGB se pueden dividir en el tipo Viking y el tipo MPF (Mars Pathfinder).

El paracaídas DGB tipo Viking tiene un coeficiente de arrastre alto y una estabilidad débil, mientras que el MPF y su paracaídas DGB mejorado tienen un coeficiente de arrastre más pequeño pero mejor estabilidad. Además, se adoptaron dos ideas para optimizar y mejorar la estructura de paracaídas DGB existente. Una es aumentar el coeficiente de arrastre. La parte del disco se modifica así a una estructura con un mayor coeficiente de arrastre. La otra es agrandar el área de la banda para aumentar la estabilidad del paracaídas, como agregar una banda ahusada en la falda del dosel. Por lo tanto, cinco estructuras de paracaídas DGB, incluidas la estructura MPF, Viking, hemisflo, tricónica y cónica, fueron seleccionadas como candidatas.

Posteriormente, para optimizar la estructura del paracaídas Mars, se realizaron los ensayos de túnel de viento subsónico, transónico y supersónico de los cinco paracaídas DGB para obtener sus coeficientes de arrastre y ángulos de oscilación. En combinación con los resultados de las pruebas en el túnel de viento con diferentes números de Mach para seleccionar un paracaídas con mejor rendimiento de desaceleración y estabilidad, el paracaídas cónico DGB fue el mejor paracaídas de desaceleración para el Tianwen-1.

Finalmente, para demostrar la capacidad de los paracaídas DGB cónicos a gran escala en condiciones de vuelo en Marte, se llevaron a cabo cuatro pruebas de vuelo a gran altitud con cohetes de sondeo en abril de 2018. Durante el vuelo, la primera etapa se quemó a altitudes de aproximadamente 17 km ~ 20 km. , respectivamente, la sección de carga útil alcanzó un apogeo entre 49 km y 64 km. Cuando la carga útil alcanzó la presión dinámica objetivo y el número de Mach, se desplegó el paracaídas con mortero.

El despliegue, el inflado y la aerodinámica supersónica y subsónica del paracaídas fueron analizados por un conjunto de instrumentos, incluido un sistema de video de alta velocidad entrenado en el paracaídas, un conjunto de pasadores de carga en la interfaz de las bridas del paracaídas y la carga útil, y un GPS y una unidad de medida inercial (IMU) a bordo de la carga útil. Después de desacelerar a una velocidad subsónica, el paracaídas y la carga útil descendieron al rango de prueba para su recuperación. Todas las pruebas apuntaron a una presión dinámica específica en el despliegue del paracaídas para alcanzar la carga deseada en el paracaídas con el inflado completo.

Los paracaídas se desplegaron con fuego de mortero a presiones dinámicas que oscilaban entre 100 Pa y 950 Pa y números de Mach entre 2,05 y 2,35. En comparación, el paracaídas de Tianwen-1 debe poder abrirse de manera confiable dentro del rango de Ma1.6~Ma2.3 y un rango de presión dinámica de 250Pa~850Pa. Bajo la prueba de apertura a gran altitud realizada en la Tierra y las condiciones de trabajo reales de Marte, los números de Reynolds son del orden de 2×10 ⁶ . Los resultados de la prueba indican que el coeficiente de arrastre del paracaídas DGB cónico varió de 0,39 a 0,70 con el número de Mach aumentado de Ma 0,2 a Ma 2,4 y alcanzó el valor máximo de 0,7 en Ma 1,5; el AOA máximo después del despliegue del paracaídas es de aproximadamente 20°, lo que ha demostrado que el rendimiento del paracaídas DGB cónico podría cumplir con los requisitos de desaceleración de la sonda Tianwen-1 Mars.