La sonda cinese Tianwen-1 Mars è atterrata con successo nella pianura dell'Utopia alle 7:18 ora di Pechino, il 15 maggio 2021. Il tasso di successo delle missioni su Marte è di circa il 50% e la maggior parte dei guasti si verifica durante l'ingresso, la discesa e l'atterraggio (EDL ) fase. I paracadute supersonici a bassa densità svolgono un ruolo fondamentale nell'EDL di Marte e determinano direttamente il successo dell'intera missione. In un documento di ricerca recentemente pubblicato su Spazio:scienza e tecnologia , Mingxing Huang del Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity ha svolto la progettazione, lo sviluppo e la qualificazione del paracadute Tianwen-1 Mars, che può fornire un riferimento per la creazione di futuri paracadute di esplorazione di Marte.

L'autore si è inizialmente concentrato sull'analisi e sulla selezione dei tipi di paracadute di Marte. Rispetto ai paracadute che funzionano sulla Terra, i paracadute del lander su Marte devono affrontare più problemi. Da un lato, il volo aperto del paracadute Marte è caratterizzato da velocità supersonica, bassa densità e bassa pressione dinamica. D'altra parte, le attività atmosferiche, come l'attività dei vortici marziani e le tempeste di polvere, possono portare a condizioni di apertura del paracadute difficili. Pertanto, nella progettazione del paracadute dovrebbero essere considerate le difficoltà nell'apertura del paracadute, il gonfiaggio instabile e il ridotto coefficiente di resistenza aerodinamica.

Tutti i lander stranieri che hanno ottenuto con successo un atterraggio morbido su Marte hanno utilizzato il paracadute DGB (Disk-Gap-Band), che ha una buona stabilità ed eccellenti prestazioni di gonfiaggio nell'ambiente di lavoro supersonico ea bassa densità. A causa delle sue dimostrate prestazioni ad alta quota e del minor rischio tecnico, il paracadute DGB con modifiche al design migliorate è stato selezionato come candidato per la sonda Tianwen-1 Mars. In base al rapporto tra l'area della banda e l'intera vela, i paracadute DGB possono essere suddivisi in tipo Viking e tipo MPF (Mars Pathfinder).

Il paracadute DGB di tipo Viking ha un elevato coefficiente di resistenza aerodinamica e una stabilità debole, mentre l'MPF e il suo paracadute DGB migliorato hanno un coefficiente di resistenza aerodinamica inferiore ma una migliore stabilità. Inoltre, sono state adottate due idee per ottimizzare e migliorare la struttura del paracadute DGB esistente. Uno è aumentare il coefficiente di resistenza. La parte del disco viene così modificata in una struttura con un coefficiente di resistenza aerodinamica più elevato L'altra è quella di allargare l'area della fascia per aumentare la stabilità del paracadute, ad esempio aggiungendo una fascia rastremata sul mantello della vela. Pertanto, sono state selezionate come candidate cinque strutture per paracadute DGB, tra cui MPF, Viking, hemisflo, struttura triconica e conica.

Successivamente, per ottimizzare la struttura del paracadute di Marte, sono stati effettuati i test in galleria del vento subsonico, transonico e supersonico per i cinque paracadute DGB per ottenere i loro coefficienti di resistenza e angoli di oscillazione. In combinazione con i risultati dei test in galleria del vento a diversi numeri di Mach per selezionare un paracadute con migliori prestazioni di decelerazione e stabilità, il paracadute conico DGB è stato il miglior paracadute di decelerazione per il Tianwen-1.

Infine, per dimostrare la capacità dei paracadute DGB rastremati in scala reale in condizioni di volo su Marte, nell'aprile 2018 sono stati effettuati quattro test di volo ad alta quota mediante sondaggi di razzi. Durante il volo, il primo stadio è bruciato ad altitudini di circa 17 km ~ 20 km , rispettivamente, la sezione di carico utile ha raggiunto l'apogeo tra 49 km e 64 km. Quando il carico utile ha ottenuto la pressione dinamica target e il numero di Mach, il paracadute è stato schierato con il mortaio.

Il dispiegamento, il gonfiaggio e l'aerodinamica supersonica e subsonica del paracadute sono stati analizzati da una suite di strumenti, tra cui un sistema video ad alta velocità addestrato sul paracadute, una serie di perni di carico all'interfaccia delle briglie del paracadute e del carico utile e un GPS e un'unità di misura inerziale (IMU) a bordo del carico utile. Dopo aver decelerato alla velocità subsonica, il paracadute e il carico utile sono scesi nel campo di prova per il recupero. Tutti i test miravano a una pressione dinamica specifica al dispiegamento del paracadute per raggiungere un carico desiderato sul paracadute a piena gonfiaggio.

I paracadute erano lanciati con colpi di mortaio a pressioni dinamiche comprese tra 100 Pa e 950 Pa e numeri di Mach compresi tra 2,05 e 2,35. In confronto, il paracadute di Tianwen-1 deve essere in grado di aprirsi in modo affidabile nell'intervallo di Ma1.6~Ma2.3 e nell'intervallo di pressione dinamica di 250Pa~850Pa. Sotto il test di apertura ad alta quota condotto sulla Terra e le effettive condizioni di lavoro di Marte, i numeri di Reynolds sono entrambi nell'ordine di 2×10 ⁶ . I risultati del test indicano che il coefficiente di resistenza aerodinamica del paracadute conico DGB variava da 0,39 a 0,70 con il numero di Mach aumentato da Ma 0,2-Ma 2,4 e raggiungeva il valore massimo di 0,7 a Ma 1,5; l'AOA massimo dopo il dispiegamento del paracadute è di circa 20°, il che ha tutti dimostrato che le prestazioni del paracadute conico DGB potrebbero soddisfare i requisiti di decelerazione della sonda Tianwen-1 Mars.