A sonda chinesa Tianwen-1 Mars pousou com sucesso na planície de Utopia às 7h18, horário de Pequim, em 15 de maio de 2021. A taxa de sucesso das missões a Marte é de cerca de 50%, e a maioria das falhas ocorre durante a entrada, descida e pouso (EDL ) Estágio. Pára-quedas supersônicos de baixa densidade desempenham um papel vital no EDL de Marte e determinam diretamente o sucesso de toda a missão. Em um artigo de pesquisa publicado recentemente em Space:Science &Technology , Mingxing Huang, do Instituto de Mecânica Espacial e Eletricidade de Pequim, realizou o projeto, desenvolvimento e qualificação do pára-quedas Tianwen-1 Mars, que pode fornecer uma referência para a criação de futuros pára-quedas de exploração de Marte.
O autor primeiro se concentrou na análise e seleção de tipos de pára-quedas de Marte. Comparados com os pára-quedas que funcionam na Terra, os pára-quedas do módulo de aterrissagem de Marte enfrentam mais problemas. Por um lado, o voo aberto do paraquedas de Marte é caracterizado pela velocidade supersônica, baixa densidade e baixa pressão dinâmica. Por outro lado, atividades atmosféricas, como atividade de vórtices marcianos e tempestades de poeira, podem levar a condições severas de abertura de paraquedas. Portanto, dificuldades na abertura do pára-quedas, inflação instável e coeficiente de arrasto reduzido devem ser considerados no projeto do pára-quedas.

Todos os aterrissadores estrangeiros que conseguiram pouso suave em Marte usaram o pára-quedas DGB (Disk-Gap-Band), que tem boa estabilidade e excelente desempenho de inflação no ambiente de trabalho supersônico e de baixa densidade. Devido ao seu desempenho demonstrado em alta altitude e menor risco técnico, o pára-quedas DGB com modificações de design aprimoradas é selecionado como candidato para a sonda Tianwen-1 Mars. De acordo com a proporção da área da banda para todo o dossel, os paraquedas DGB podem ser divididos em tipo Viking e tipo MPF (Mars Pathfinder).

O paraquedas DGB tipo Viking tem um coeficiente de arrasto alto e estabilidade fraca, enquanto o MPF e seu paraquedas DGB melhorado têm um coeficiente de arrasto menor, mas melhor estabilidade. Além disso, duas ideias foram adotadas para otimizar e melhorar a estrutura de paraquedas DGB existente. Uma delas é aumentar o coeficiente de arrasto. A parte do disco é assim modificada para uma estrutura com maior coeficiente de arrasto. A outra é aumentar a área da faixa para aumentar a estabilidade do pára-quedas, como adicionar uma faixa cônica na saia do velame. Assim, cinco estruturas de pára-quedas DGB, incluindo o MPF, Viking, hemisflo, estrutura tricônica e cônica, foram selecionadas como candidatas.

Em seguida, para otimizar a estrutura do paraquedas de Marte, foram realizados os testes de túnel de vento subsônico, transônico e supersônico para os cinco paraquedas DGB para obter seus coeficientes de arrasto e ângulos de oscilação. Combinado com os resultados do teste de túnel de vento em diferentes números de Mach para selecionar um pára-quedas com melhor desempenho de desaceleração e estabilidade, o pára-quedas cônico DGB foi o melhor pára-quedas de desaceleração para o Tianwen-1.

Finalmente, para demonstrar a capacidade de paraquedas DGB em escala real em condições de voo em Marte, quatro testes de voo em alta altitude foram realizados por foguetes de sondagem em abril de 2018. Durante o voo, o primeiro estágio queimou em altitudes de aproximadamente 17 km ~ 20 km , respectivamente, o trecho de carga útil atingiu o apogeu entre 49km e 64km. Quando a carga atingiu a pressão dinâmica alvo e o número Mach, o pára-quedas foi implantado com argamassa.

A implantação, inflação e aerodinâmica supersônica e subsônica do pára-quedas foram analisadas por um conjunto de instrumentos, incluindo um sistema de vídeo de alta velocidade treinado no pára-quedas, um conjunto de pinos de carga na interface dos freios do pára-quedas e a carga útil, e um GPS e uma unidade de medição inercial (IMU) a bordo da carga útil. Depois de desacelerar para velocidade subsônica, o pára-quedas e a carga útil desceram para a faixa de teste para recuperação. Todos os testes visaram uma pressão dinâmica específica na abertura do pára-quedas para atingir uma carga desejada no pára-quedas em plena inflação.

Os pára-quedas foram lançados com morteiros a pressões dinâmicas variando de 100Pa a 950Pa e números de Mach entre 2,05 e 2,35. Em comparação, o pára-quedas de Tianwen-1 deve ser capaz de ser aberto de forma confiável dentro da faixa de Ma1.6~Ma2.3 e faixa de pressão dinâmica de 250Pa~850Pa. Sob o teste de abertura em alta altitude realizado na Terra e as condições reais de trabalho de Marte, os números de Reynolds são da ordem de 2 × 10 ⁶ . Os resultados dos testes indicam que o coeficiente de arrasto do paraquedas cônico DGB variou de 0,39 a 0,70 com o número de Mach aumentado de Ma 0,2-Ma 2,4 e atingiu o valor máximo de 0,7 em Ma 1,5; o AOA máximo após a implantação do pára-quedas é de cerca de 20°, o que demonstrou que o desempenho do pára-quedas cônico DGB poderia atender aos requisitos de desaceleração da sonda Tianwen-1 Mars.