De Chinese Tianwen-1 Mars-sonde is met succes geland op de Utopia-vlakte om 07:18 uur Beijing Time, op 15 mei 2021. Het slagingspercentage van Mars-missies is ongeveer 50% en de meeste mislukkingen treden op tijdens het binnenkomen, dalen en landen (EDL ) fase. Parachutes van supersonisch met een lage dichtheid spelen een vitale rol in de EDL van Mars en bepalen rechtstreeks het succes van de hele missie. In een onderzoekspaper dat onlangs is gepubliceerd in Space:Science &Technology , heeft Mingxing Huang van het Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity het ontwerp, de ontwikkeling en de kwalificatie van de Tianwen-1 Mars-parachute uitgevoerd, die een referentie kan vormen voor de creatie van toekomstige parachutes voor Mars-verkenning.

De auteur concentreerde zich eerst op de analyse en selectie van parachutetypes op Mars. Vergeleken met de parachutes die op aarde werken, hebben de parachutes van de Mars-lander meer problemen. Aan de ene kant wordt de open vlucht van de Mars-parachute gekenmerkt door supersonische snelheid, lage dichtheid en lage dynamische druk. Aan de andere kant kunnen atmosferische activiteiten, zoals vortexactiviteit op Mars en stofstormen, leiden tot barre openingscondities van parachutes. Daarom moet bij het ontwerp van de parachute rekening worden gehouden met moeilijkheden bij het openen van de parachute, onstabiele inflatie en verminderde luchtweerstandscoëfficiënt.

Alle buitenlandse landers die met succes een zachte landing op Mars hebben bereikt, hebben de DGB-parachute (Disk-Gap-Band) gebruikt, die een goede stabiliteit en uitstekende inflatieprestaties heeft in de supersonische werkomgeving met lage dichtheid. Vanwege de bewezen prestaties op grote hoogte en het lagere technische risico, wordt de DGB-parachute met verbeterde ontwerpaanpassingen geselecteerd als de kandidaat voor de Tianwen-1 Mars-sonde. Afhankelijk van de verhouding van het bandoppervlak tot de gehele luifel, kunnen de DGB-parachutes worden onderverdeeld in het Viking-type en het MPF-type (Mars Pathfinder).

De Viking-parachute van het type DGB heeft een hoge luchtweerstandscoëfficiënt en een zwakke stabiliteit, terwijl de MPF en zijn verbeterde DGB-parachute een kleinere luchtweerstandscoëfficiënt maar een betere stabiliteit hebben. Verder zijn er twee ideeën aangenomen om de bestaande DGB-parachutestructuur te optimaliseren en te verbeteren. Een daarvan is het verhogen van de luchtweerstandscoëfficiënt. Het schijfgedeelte wordt dus aangepast aan een structuur met een hogere luchtweerstandscoëfficiënt. De andere is om het gebied van de band te vergroten om de stabiliteit van de parachute te vergroten, zoals het toevoegen van een taps toelopende band op de rand van de luifel. Zo werden vijf DGB-parachutestructuren, waaronder de MPF, Viking, hemisflo, triconische en taps toelopende structuur, als kandidaten geselecteerd.

Om de structuur voor de Mars-parachute te optimaliseren, werden vervolgens de subsonische, transsone en supersonische windtunneltests uitgevoerd voor de vijf DGB-parachutes om hun weerstandscoëfficiënten en oscillatiehoeken te verkrijgen. Gecombineerd met de resultaten van de windtunneltest bij verschillende Mach-nummers om een ​​parachute te selecteren met betere vertragings- en stabiliteitsprestaties, was de taps toelopende DGB-parachute de beste vertragingsparachute voor de Tianwen-1.

Ten slotte werden in april 2018 vier vluchttests op grote hoogte uitgevoerd met sonderingsraketten om de capaciteit van taps toelopende DGB-parachutes op ware grootte in Mars-vluchtomstandigheden te demonstreren. Tijdens de vlucht brandde de eerste trap uit op een hoogte van ongeveer 17 km ~ 20 km respectievelijk bereikte het laadvermogen een hoogtepunt tussen 49 km en 64 km. Toen de lading de beoogde dynamische druk en het Mach-getal kreeg, werd de parachute met mortieren ingezet.

De inzet, inflatie en supersonische en subsonische aerodynamica van de parachute werden geanalyseerd door een reeks instrumenten, waaronder een high-speed videosysteem dat op de parachute is getraind, een set laadpinnen op de interface van de parachute-hoofdstellen en de lading, en een GPS en traagheidsmeeteenheid (IMU) aan boord van de lading. Na te zijn afgeremd tot subsonische snelheid, daalden de parachute en de lading af naar het testbereik voor herstel. Alle tests waren gericht op een specifieke dynamische druk bij het ontplooien van de parachute om een ​​gewenste belasting op de parachute te bereiken bij volledige inflatie.

De parachutes werden met mortiervuur ​​ingezet bij dynamische drukken variërend van 100 Pa tot 950 Pa en Mach-getallen tussen 2,05 en 2,35. Ter vergelijking:de parachute van Tianwen-1 moet betrouwbaar kunnen worden geopend binnen het bereik van Ma1.6 ~ Ma2.3 en een dynamisch drukbereik van 250 Pa ~ 850 Pa. Tijdens de openingstest op grote hoogte die op aarde is uitgevoerd en de werkelijke werkomstandigheden van Mars, zijn de Reynolds-getallen beide in de orde van 2×10 ⁶ . De testresultaten geven aan dat de luchtweerstandscoëfficiënt van de taps toelopende DGB-parachute varieerde van 0,39 tot 0,70, waarbij het Mach-getal toenam van Ma 0,2-Ma 2,4 en de maximale waarde van 0,7 bereikte bij Ma 1,5; de maximale AOA na parachute-inzet is ongeveer 20°, wat allemaal heeft aangetoond dat de prestaties van de taps toelopende DGB-parachute kunnen voldoen aan de vertragingsvereisten van de Tianwen-1 Mars-sonde.