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为什么探测器进入各种行星的大气层都是加个隔热层很快地摔下去,能不能早早开伞慢慢飘下去? 第1页

  

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这是一个超音速降落伞的问题。以好奇号(火星科学实验室MSL)为例,进入火星大气层的初速度大约是每小时1.8万km,此时高度大约是120km,而经历了2100度高温和剧烈减速阶段后,直到11km高度才打开降落伞,此时MSL着陆器的速度已经降低到每小时2000km,即每秒550米。火星和地球相比大气稀薄的多,密度比地球大气低1-2个数量级,火星大气这个高度上的声速是240米/秒,也就是说开伞速度远超声速,大约是2.3马赫。

我们知道,物体在流体中受到的阻力与空气密度、运动方向的投影面积A、速度的平方、阻力系数成正比:

但遗憾的是,在超音速情况下阻力系数不再是常数。

下图模拟了前体(探测器)和一个降落伞在 1.5马赫流体中的运动情况。左侧为压力场,右侧为速度场。超声速运动的前体(探测器)会在两侧形成锥形的激波,后侧形成尾流。

高速尾流进入到降落伞的伞盖中,流速降低,形成高压区,进而形成从伞盖到探测器的反向气流(右图蓝色区域)。

反向气流会完全破坏探测器的锥形激波,在探测器后方形成高压区,并且降低了降落伞附近区域的流速。此时伞盖内部的压力降低,内外压差变小

于是降落伞开始收缩。

随着降落伞收缩,反向气流也随之消失,前体(探测器)周围的锥形激波和尾留得以重新建立,降落伞重新打开……于是又回到了第一张图。

如此循环往复……

取自 Steve Lingard “SUPERSONIC PARACHUTES” solarsystem.nasa.gov/do

因此降落伞在超声速的时候是非常不稳定的,如上所示的这种振荡现象大大降低了降落伞的阻力系数。

上图:不同形状的降落伞在不同马赫数(横轴)下的阻力系数(纵轴)。

盘-缝-带(DGB)构型的降落伞经过了大量检验,已经被证明具有较好的超音速特性,需要在3马赫以下的速度展开。近年来的几个火星探测器(好奇号、勇气-机遇号、火星探路者号)均采用了这种构型,实际都是在1.7-2.3马赫左右的速度下展开的。此时探测器的动能相比初入大气层时已经削减了99%。

虽然土卫六的大气比火星和地球都要浓密的多,但是惠更斯号着陆器的降落伞也采用了DGB构型,并在1.7马赫下成功展开。上图是1993年在美国田纳西州的阿诺德空军基地进行风洞试验的照片。

前不久(2017年10月4日),NASA为2020年的火星任务进行了第一轮降落伞测试,由一枚火箭将载荷送到51km的高度,载荷在下落到 42km时以1.8马赫的速度释放降落伞,降落伞在半秒内成功打开,产生了3.5万磅(1.6万公斤)的阻力。高速相机拍下了这面超音速降落伞的展开过程。




  

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