美国国家航空航天局（NASA）的毅力号探测器完成了从地球到火星的旅程，使用的是类似于许多前辈的进入、下降和着陆（EDL）模式。这个过程被称为 "恐怖七分钟"，因为由于地火11分钟的信号延迟，数百个关键动作需要在没有地球干预的情况下以非常精确的顺序完成。

大约在下降四分钟后，太空舱会展开降落伞以减速直至足够接近火星表面（约1.3英里），才能开启反推减速。降落伞大约是人类头发丝直径（80微米）的有机纤维编织而成，不能有任何撕裂或破损，在展开时会受到太空舱湍流尾迹影响，但必须保证能够均匀充气。

这是EDL最危险的部分之一，而且是出了名的难以预测。为了加速这一过程，降低成本和风险，NASA的LAVA（Launch, Ascent, and Vehicle Aerodynamics）团队正在开发模拟超音速降落伞充气的仿真能力。

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项目详情

超音速降落伞充气是具有挑战性的，因为它需要对非常柔软的降落伞织物（结构）和以超音速通过的空气（流体）之间的双向交互作用（称为流固耦合，FSI）进行建模才能准确预测。LAVA团队正在开发这种具有挑战性的FSI模拟能力，通过利用其笛卡尔自适应网格细化计算流体动力学（CFD）求解器并将其与最近开发的有限元结构动力学求解器相耦合来实现。

结果和影响

作为获得对新工具准确预测超音速降落伞充气复杂过程信心的第一步，LAVA团队模拟了高级超音速降落伞充气研究实验（ASPIRE）SR01飞行测试的一部分。在该测试中，MSL的一个版本在地球上层大气中以超音速条件被充气。模拟预测峰值开启负载与飞行测试期间所测量到的相差不到10％，但显示出在峰值之后立即发生的充气率和动力学方面存在差异，低估了降落伞部分坍塌和反弹。团队继续调查潜在误差来源，例如当降落伞充气时车辆快速减速效应等，以改进工具及相关最佳实践。

通过进一步的验证和确认，模拟超音速降落伞充气能力可以用于新降落伞系统的设计过程和飞行前资格认证。它还可以通过模拟许多不同的场景来减少风险，在飞行测试中成本太高，例如各种强度的侧向风。此外，某些难以在飞行测试中记录的细节可以从模拟中提取出来，例如最大织物应力的时间、位置和大小等信息，这些信息可用于确定在实际任务期间降落伞可能何时何地失效。

模拟超音速降落伞充气比典型的CFD或结构动力学模拟更具计算要求，因为它需要两种不同的方法和不同的并行化策略协同工作。尽管存在这些挑战，LAVA团队能够非常快速地优化FSI工具来解决流体和结构领域数亿个自由度。一次典型的模拟使用NASA Aitken超级计算机上2,560个Cascade Lake核心，并运行了一天多一点，相当于模拟时间约为0.5秒。它生成数十TB的数据，可以并行可视化和分析。必须完成数百个此类模拟以开发最佳实践并彻底验证各种在不同流量条件下操作的降落伞新功能。

下一步计划

LAVA团队将继续优化FSI工具，通过改善其并行可扩展性和基于解决方案的AMR算法，减少超音速降落伞充气模拟的周转时间。该团队还致力于在模拟中加入更多的物理现象，以更好地代表现实世界中的降落伞充气，方法是考虑太空舱和舱盖的减速效果、初始降落伞形状和流动条件以及更具代表性的降落伞结构属性。

参考文献：

[1] Output-based adaptive RANS solutions using higher-order FEM on a multi-element airfoil[EB/OL]. [2023-03-12]. https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/127108.

[2] Computational Simulations of a Mach 0.745 \Transonic Truss-Braced Wing Design | AIAA SciTech Forum[EB/OL]. [2023-03-12]. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2020-1649.

[3] “A Computational Fluid-Structure Interaction Method for Simulating Supe” by Jonathan Boustani[EB/OL]. [2023-03-16]. https://uknowledge.uky.edu/me_etds/184/.

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