美國國家航空航天局（NASA）的毅力號探測器完成了從地球到火星的旅程，使用的是類似于許多前輩的進(jìn)入、下降和著陸（EDL）模式。這個過程被稱為 "恐怖七分鐘"，因?yàn)橛捎诘鼗?1分鐘的信號延遲，數(shù)百個關(guān)鍵動作需要在沒有地球干預(yù)的情況下以非常精確的順序完成。

大約在下降四分鐘后，太空艙會展開降落傘以減速直至足夠接近火星表面（約1.3英里），才能開啟反推減速。降落傘大約是人類頭發(fā)絲直徑（80微米）的有機(jī)纖維編織而成，不能有任何撕裂或破損，在展開時會受到太空艙湍流尾跡影響，但必須保證能夠均勻充氣。

這是EDL最危險的部分之一，而且是出了名的難以預(yù)測。為了加速這一過程，降低成本和風(fēng)險，NASA的LAVA（Launch, Ascent, and Vehicle Aerodynamics）團(tuán)隊正在開發(fā)模擬超音速降落傘充氣的仿真能力。

項目詳情

超音速降落傘充氣是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗枰獙Ψ浅Ｈ彳浀慕德鋫憧椢铮ńY(jié)構(gòu)）和以超音速通過的空氣（流體）之間的雙向交互作用（稱為流固耦合，F(xiàn)SI）進(jìn)行建模才能準(zhǔn)確預(yù)測。LAVA團(tuán)隊正在開發(fā)這種具有挑戰(zhàn)性的FSI模擬能力，通過利用其笛卡爾自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化計算流體動力學(xué)（CFD）求解器并將其與最近開發(fā)的有限元結(jié)構(gòu)動力學(xué)求解器相耦合來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)果和影響

作為獲得對新工具準(zhǔn)確預(yù)測超音速降落傘充氣復(fù)雜過程信心的第一步，LAVA團(tuán)隊模擬了高級超音速降落傘充氣研究實(shí)驗(yàn)（ASPIRE）SR01飛行測試的一部分。在該測試中，MSL的一個版本在地球上層大氣中以超音速條件被充氣。模擬預(yù)測峰值開啟負(fù)載與飛行測試期間所測量到的相差不到10％，但顯示出在峰值之后立即發(fā)生的充氣率和動力學(xué)方面存在差異，低估了降落傘部分坍塌和反彈。團(tuán)隊繼續(xù)調(diào)查潛在誤差來源，例如當(dāng)降落傘充氣時車輛快速減速效應(yīng)等，以改進(jìn)工具及相關(guān)最佳實(shí)踐。

通過進(jìn)一步的驗(yàn)證和確認(rèn)，模擬超音速降落傘充氣能力可以用于新降落傘系統(tǒng)的設(shè)計過程和飛行前資格認(rèn)證。它還可以通過模擬許多不同的場景來減少風(fēng)險，在飛行測試中成本太高，例如各種強(qiáng)度的側(cè)向風(fēng)。此外，某些難以在飛行測試中記錄的細(xì)節(jié)可以從模擬中提取出來，例如最大織物應(yīng)力的時間、位置和大小等信息，這些信息可用于確定在實(shí)際任務(wù)期間降落傘可能何時何地失效。

模擬超音速降落傘充氣比典型的CFD或結(jié)構(gòu)動力學(xué)模擬更具計算要求，因?yàn)樗枰獌煞N不同的方法和不同的并行化策略協(xié)同工作。盡管存在這些挑戰(zhàn)，LAVA團(tuán)隊能夠非?？焖俚貎?yōu)化FSI工具來解決流體和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域數(shù)億個自由度。一次典型的模擬使用NASA Aitken超級計算機(jī)上2,560個Cascade Lake核心，并運(yùn)行了一天多一點(diǎn)，相當(dāng)于模擬時間約為0.5秒。它生成數(shù)十TB的數(shù)據(jù)，可以并行可視化和分析。必須完成數(shù)百個此類模擬以開發(fā)最佳實(shí)踐并徹底驗(yàn)證各種在不同流量條件下操作的降落傘新功能。

下一步計劃

LAVA團(tuán)隊將繼續(xù)優(yōu)化FSI工具，通過改善其并行可擴(kuò)展性和基于解決方案的AMR算法，減少超音速降落傘充氣模擬的周轉(zhuǎn)時間。該團(tuán)隊還致力于在模擬中加入更多的物理現(xiàn)象，以更好地代表現(xiàn)實(shí)世界中的降落傘充氣，方法是考慮太空艙和艙蓋的減速效果、初始降落傘形狀和流動條件以及更具代表性的降落傘結(jié)構(gòu)屬性。

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