De Tianwen-1 Mars-invoercapsule landde op 14 mei 2021 om 23:18 UTC met succes op het oppervlak van Mars in het zuiden van Utopia Planitia. Een van de grootste uitdagingen waarmee het werd geconfronteerd, is dat een typisch stomp lichaam zoals de capsule tijdens supersonische reizen aan dynamische instabiliteit lijdt. Het onderzoeken van het onstabiele Mach-vluchtbereik en het bevestigen van het ontwerp van de aerodynamische vorm en massa-eigenschappen van de lander was de sleutel om de Mars-intrede te bereiken. In een onderzoekspaper dat onlangs is gepubliceerd in Space:Science &Technology , voerde Haogong Wei van het Beijing Institute of Spacecraft System Engineering een ballistische afstandstest uit om de supersonische dynamische kenmerken van Tianwen-1 vast te leggen.

De stompe capsule van de Tianwen-1 was geprogrammeerd om een ​​trimlip uit te klappen bij Mach 2.8 om de aanvalshoek in te korten naar 0° voordat de parachute werd ingezet bij Mach 1.8. Transsone en supersonische dynamische kenmerken van voertuigen met een stompe carrosserie zijn echter moeilijk te berekenen met numerieke methoden, omdat voorbijgaande en onstabiele stromingsverschijnselen zoals scheiding, herbevestiging, wake en tijdvertraging moeilijk nauwkeurig vast te leggen zijn. Daarom bestuderen onderzoekers de vluchtdynamiek bij voorkeur via grondtestmethoden. Er zijn drie soorten tests, waaronder geforceerde oscillatie, vrije oscillatie en vrije vlucht. Het is echter moeilijk om nauwkeurige dynamische kenmerken vast te leggen door middel van geforceerde oscillatietests, aangezien deze methode aanzienlijke verstoring van het stromingsveld veroorzaakt. De vrije oscillatiemethode kan alleen worden gebruikt om de dynamische respons in een enkele vrijheidsgraad te verkrijgen, wat wordt beschouwd als een vereenvoudigde vrije vluchtmethode. De free-flight-methode, die de echte dynamische kenmerken van het dynamische model weerspiegelt, is dus een geschikt alternatief.

In dit werk hebben de auteurs een ballistische afstandstest met vrije vlucht uitgevoerd om de statische en dynamische aerodynamische eigenschappen van Tianwen-1 in getrimde en niet-getrimde configuraties onder typische supersonische omstandigheden te verkrijgen en om de numerieke berekeningsresultaten van supersonische statische en dynamische aerodynamische kenmerken van de capsule. De tests werden uitgevoerd in het 200 m vrije vlucht ballistische bereik van het China Aerodynamics Research and Development Center. Het testmedium in de kamer was lucht. De verrekijkermeetstations werden geïnstalleerd langs de vliegrichting van het model, die vóór de test zouden worden gekalibreerd en uitgelijnd met het wereldwijde basisreferentiecoördinatensysteem. Er waren twee configuraties van geschaalde testmodellen:bijgesneden (met ingeklapte trim tab) en niet bijgesneden (met trim tab gevouwen).

Eerst werd het identificatie-algoritme van de aerodynamische parameters voor de test met vrije vlucht ballistisch bereik vastgesteld:de aerodynamische coëfficiënten van geschaalde modellen met vrije vlucht werden afgeleid door een aangepaste lineaire regressiemethode op basis van positie- en houdingsgegevens. De statische en dynamische coëfficiënten werden vastgesteld onder de aanname van linearisatie met een kleine hoek. Daarna werd de analyse van de positie en houding, houdingsoscillatie, aerodynamische kracht, statische en dynamische stabiliteit van de capsule gemaakt en de resultaten toonden aan dat de ballistische afstandstest het houdingsgedrag en de aerodynamische kenmerken van de Tianwen-1 Mars-invoercapsule vastlegt. De verkregen pitch- en yaw-momentcoëfficiënten werden gebruikt om de aerodynamische eigenschappen van de capsule te bespreken. Het kapsel in getrimde configuratie is dynamisch onstabiel in de stamp- en gierrichtingen, terwijl de niet-getrimde configuratie dynamisch stabiel is. In beide gevallen is de capsule statisch stabiel in stamp- en gierrichtingen.