DGB parachute simulation

   1. Giới thiệu về dù DGB:

Những chiếc dù siêu thanh đã được sử dụng làm bộ giảm tốc khí động học trong quá trình xâm nhập và đi vào bầu khí quyển mật độ thấp, ví dụ, cho các sứ mệnh thám hiểm không gian trên sao Hỏa. Nhờ khối lượng thấp và hiệu quả đóng gói cao, chúng cung cấp một phương tiện giảm tốc hiệu quả cao từ tốc độ siêu âm đến tốc độ cận âm.

Dù Disk-Gap-Band (DGB) đã được sử dụng trong tất cả các sứ mệnh thám hiểm sao Hỏa (Mars) của Hoa Kỳ.

Hệ thống dù giảm tốc là để đưa các phương tiện hạ cánh, trong bầu khí quyền của Trái đất, sao Hỏa, đến một điểm và tình trạng bay nơi tên lửa hỗ trợ hãm và hệ thống túi khí chống va đập có thể hoàn thành việc hạ xuống bề mặt.

Tất cả các chiếc dù đều là biến thể của chiếc dù Viking DGB.

Kể từ thời dù Viking:

• Vật liệu làm vải dù đã thay đổi (Dacron ->  Kevlar, Nylon)
• Các phương pháp phân tích đã trở nên thông minh hơn
• Kích thước và tải của dù đã tăng lên
• Biến thiết kế đã giảm

Trình tự hoạt động của sứ mệnh đổ bộ lên sao Hỏa:

1.Thâm nhập ở trạng thái siêu âm

2. Giai đoạn tách capsule

3. Thâm nhập khí quyển: ở độ cao ~125 km

4. Triển khai dù: ~10 km A.G.L, ~E+240 s

5. Lá chắn nhiệt Jettison: 20 s sau khi triển khai dù

6. Hãm Bridle: 20 s sau khi dùng lá chắn nhiệt, 10 s để hoàn thành.

7. Triển khai radar thu nhận tín hiệu mặt đất: ~2.4 km A.G.L

8. Thổi phồng túi khí: ~4 s trước khi đánh lửa tên lửa hãm ngược.

9. Đánh lửa tên lửa hãm: ~160 m

10. Cắt hệ thống hãm Bridle: ~15 m A.G.L.  khi vận tốc thẳng đứng bằng 0 m/s

11. Tiếp xúc đầu tiên với mặt đất: ~E+360 s

 

2. Yêu cầu thiết kế hệ thống dù hãm

    a. Cụm dù

Giảm tốc tàu thâm nhập khỏi điều kiện bay siêu thanh (supersonic flight conditions)

Thiết lập quỹ đạo thẳng đứng ổn định để cho phép triển khai khiên nhiệt Jettison và hệ thống hạ cánh.

Cung cấp quá trình hãm vận tốc xuống cuối cùng và độ ổn định bằng hệ thống rocket hãm và túi khí.

     b. Cụm súng cối triển khai dù

Giao diện với cấu trúc Backshell

Cung cấp các điểm gắn kết cấu dù giảm tốc

Đóng gói và bảo vệ dù giảm tốc.

Bắn (đẩy) chiếc dù đã đóng gói ra khỏi cấu hình gấp gọn.

Tăng tốc quá trình bung dù để kiểm soát triển khai dù.

  c. Yêu cầu thiết kế chi tiết

PDS sẽ đảm bảo việc triển khai dù ở một số 2.23 > Mach > 1.4 .

EDL phải đảm bảo rằng dù được triển khai ở áp suất động 830 Pa >  Dynamic pressure > 500 Pa

Hệ thống giảm tốc phải đảm bảo rằng diện tích tham chiếu danh nghĩa (S0) của chiếc dù mở hoàn toàn với tải trọng treo là  >= 178.48 m²  ở tốc độ Mach 0.3 trong khí quyển sao Hỏa.

Hệ thống giảm tốc sẽ đảm bảo việc triển khai ở góc tấn tối đa (Angle of Attack) là 10°.

Hệ thống giảm tốc sẽ chịu được tốc độ quay tải trọng tối đa 4RPM trong quá trình giảm tốc.

Cao điểm (peak) tải trọng thổi phồng dù được truyền đến BIP được thực hiện trên một chân dây cương sẽ không vượt quá 15.600 lbs (1 lbs =  4.4482216 N)

Cao điểm (Peak) tải phản ứng truyền đến BIP không được vượt quá 12.5 g.

Mật độ đóng gói của dù không được vượt quá 47 lb/ ft³

Khối lượng của hệ thống dù giảm tốc không được vượt quá 28 kg.

PDS phải áp dụng các hệ số an toàn được xác định trong ERD cho tất cả các thành phần kim loại.

PDS phải áp dụng hệ số an toàn 1.5 cho tất cả các thành phần dệt (vải, dây).

PDS phải áp dụng hệ số an toàn bằng 1.25 lần áp suất hoạt động cao nhất ở môi trường xung quanh đối với áp suất chứng thực (proof pressure).

PDS phải áp dụng hệ số an toàn bằng 1.5 lần áp suất làm việc cao nhất ở môi trường xung quanh đối với áp suất nổ (burst pressure).

 

     3. Động lực học dù căng phồng:

        a. Dự đoán lực của dù căng phồng:

Lực dù tối đa là 12500 lb hiện được sử dụng để tính toán lý thuyết.

Kết quả cho biết tải trọng mở dù tối đa và lịch sử tải tạm thời tiếp theo bị ảnh hưởng bởi vị trí ban đầu của Lander liên quan đến dù và vị trí tương ứng với vector vận tốc đường bay.

      b. Hệ số thiết kế kết cấu:

Các hệ số thiết kế	Hệ số an toàn	Hệ số thiết kế tới hạn
Động (Dynamic): 1.1 Không đối xứng (Asymmetric): 1.05 Góc hội tụ (Convegence Angle): 1.00 đến 1.02 S&J Efficiency: 0.80 – 0.85 Đóng gói giảm (Packing Degradation): 0.9 – 1.0 Tổng hệ số tổn thất (Total Loss factor): 1.4 – 1.7	1.50	2.10 – 2.49

 

4. Phân tích dù 

  4.1 Tải trọng thiết kế dù ước tính:

Tải trọng đã tăng lên do diện tích dù và điều kiện triển khai tăng lên.

Ước tính sơ bộ (Trong điều kiện phương tiện nặng 825 kg, vận tốc Mach 1.9, áp suất động tối đa 783 Pa):

• Tải trọng phản ứng của súng cối (Mortar): 17000 lb (MPF: 11000 lb)
• Đỉnh peak của tải khi căng phồng dù: 12500 lb (MPF: 7904 lb)

   4.2. Mô hình dù ASPIRE (Advanced Supersonic Parachute Inflation Research and Experiments):

Dù được triển khai với vật thể thon dài, ở độ cao lớn so với trái đất.

Hai chiếc dù khác nhau đang được thử nghiệm.

Chiếc dù tiêu chuẩn sẽ được sử dụng trên sao Hỏa (Mars 2020).

Dù Disk-Gap-Band (DGB) có: Đường kính tham chiếu (D0) là 21.5 m, Đường kính thổi phồng là 15.5 m. Kích thước tương tự như dù MSL.

4.3. Wake simulations:

Hình dạng của phần dẫn đầu ảnh hưởng như thế nào đến các đặc điểm wake tạm thời và trung bình?

Điều kiện mô phỏng:

• Khí quyển: Không khí, khí lý tưởng
• Khối lượng riêng không khí: 0.00346 kg/m3 (ở độ cao 41 km trên trái đất)
• Vận tốc: 558.2 m/s (Mach 1.75)
• Áp suất động: 538 Pa
• Các lưới tính toán không có cấu trúc chứa các phần tử tứ diện, lăng trụ, và lục diện

Kết quả mô phỏng:

• Trường dòng chảy trung bình (Mean Flow Field):

Nhận xét:

Nói chung, thang đo đặc tính Wake với đường kính D_MSL/D_ASPIRE = 6

Wake đằng sau cấu hình thân nhọn dài đóng lại sớm hơn nhiều, mỏng hơn.

Phục hồi áp suất động ( q_min ) nhanh hơn nhiều sau cấu hình thân nhọn dài, so với thân cùn.

Độ hụt (vận tốc, áp suất động) lớn hơn, nằm sau thân cùn.

Lực kéo phụ thuộc trực tiếp vào áp suất động (Dynamic Pressure). Chúng ta nên mong đợi lực hãm thấp hơn đằng sau một vật thể thân cùn.

• Tạm thời không ổn định (Temporal Unsteadiness)

Nhận xét:

Bên ngoài Wake (Đường kính của thân dẫn đầu), dòng chảy khá ổn định.

Tần suất không ổn định cao hơn sau nhọn dài.

Sự thay đổi đỉnh tới đỉnh lớn hơn sau phần thân cùn.

Dù phía sau một vật thể cùn có thể thấy áp suất động 50-90% giá trị dòng tự do (freestream).

Phạm vi này có thể nhỏ hơn phía sau một vật thể nhọn dài: 90-100% áp suất động dòng tự do.

Căng phồng của dù sau một vật thể nhọn dài có thể gây ứng suất cao hơn.

Đối với dù MSL/M2020, khoảng k_p  được ước tính là 0.76 đến 0.9.

Tải trọng vật thể nhọn dài ASPIRE có mực thâm hụt nhỏ hơn và phạm vi k_p được điều chỉnh từ 0.76 đến 0.98.

Đối với cùng một áp suất động và dù, tải căng phồng cao hơn phía sau vật thể nhọn dài ASPIRE.

 

4.4. Mô phỏng tương tác cấu trúc – chất lỏng của mô hình chi tiết dù hãm Viking:

Hoạt động của những chiếc dù này, ở tốc độ siêu thanh, bao gồm các hiện tượng phức tạp phụ thuộc lẫn nhau trong nghiên cứu tương tác cấu trúc chất lỏng (FSI). Nó liên quan đến khí động học vải xốp, động lực học cấu trúc phi tuyến và tương tác hoàn toàn kết hợp giữa dòng chất lỏng có thể nén, với các cú sốc, và cấu trúc màng trải qua biến dạng lớn.

Như quan sát thấy trong một số chế độ bay, dù căng phồng trải qua biến dạng dao động nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến tính toàn vẹn cấu trúc và đặc điểm kéo của dù. Điều này là kết quả của sự khớp nối chặt chẽ không thể tránh khỏi giữa cấu trúc của chiếc dù và dòng chảy xung quanh.

Các động lực học phức tạp quan sát được có liên quan đến chuyển động dọc trục dao động của chấn động mũi tàu lên phía trên của tán dù do áp suất quá mức / dưới áp suất, sự chênh lệch giữa độ cứng kéo và nén của dây treo nối dù với capsule, sự mất ổn định căng phồng tán dù do sự mất cân bằng của lực chất lỏng với lực kết cấu, trầm trọng hơn do quán tính rất thấp của dù và lực tiếp xúc do sự gấp khúc của vòm dù.

Hiệu suất của dù là hàm của số Mach, hình dạng và kích thước của capsule, khoảng cách giữa capsule và dù, hình dạng và kích thước của dù, đặc tính vật liệu của dù che và dây cáp, và góc tấn của capsule.

Video mô phòng dù MSL được thực hiện bởi Viettechview:

5. Chế tạo và thử nghiệm dù hãm (nguồn NASA):

5.1. Phát triển mô hình dù hãm trước chuyến bay:

Mô hình dù MSL đã được sửa đổi cho phù hợp với mô hình dù hãm ASPIRE.

Các sửa đổi được thực hiện bằng các thử nghiệm bay, đường hầm gió, và các mô phỏng số

• Subsonic: Tăng hiệu suất kéo danh danh nghĩa và biên độ cao, giữ lại lợi thế thấp
• Supersonic: Tăng hiệu suất kéo danh nghĩa và biên độ cao, giữ lại lợi thế thấp
• Transonic: Giảm dốc và điều kiện cận âm, pha trộn giữa đường cong lực cản cận âm và siêu âm

Mô hình kéo ASPIRE (và các giới hạn) được sử dụng trong các mô phỏng cơ học bay và để giúp thiết kế các chuyến bay thử nghiệm.

5.2. Bay thử nghiệm:

a) Hệ thống cối triển khai dù (Motal Deployment Assembly)

b) Flight Test Planning (Nguồn NASA):

c) Flight test (Actual):

Video quá trình thử nghiệm NASA’s Mars 2020 Supersonic Parachute: 

d) Tổng hợp bài kiểm tra chuyến bay:

• Vượt quá áp suất động ở tải cao nhất (Peak Load) là 4.6% (Tất cả các sự kiện diễn ra trong chuyến bay đều rất gần với dự đoan trước chuyến bay).
• Các chốt tải trong cụm dù đo lực kéo căng (Lực dù = Lực căng + khối lượng tải trọng * gia tốc)
• Tải trọng khí động học đỉnh (Peak Aerodynamic Load) = 32.4 klbf = 144.07 kN (Dự đoán trước chuyến bay thử nghiệm làm 35 klbf)
• Đồng hồ chỉ thị tải khi dù phồng : Tái lập k_p = 0.77 (Phạm vi dự đoán trước chuyến bay là : 0.76 – 0.98)
• Dấu vết lực cho thấy các dao động có tần số khoảng 20Hz (gần với tần số hệ thống dù)
• Trình tự bung dù

Hiệu suất dù kéo (nguồn NASA):

Phù hợp tốt giữa lực cản được mô hình hóa và đo lường (hệ số) dưới M 0.75, vượt quá trên M 1.15 (Trạng thái của phương tiện và vector kéo dù khá nhỏ trong giai đoạn này).

Với kinh nghiệm nhiều năm làm việc ở trung tâm R&D tại các tập đoàn công nghiệp lớn của Nhật Bản. Kinh nghiệm làm việc lâu năm trong lĩnh vực thiết kế, mô phỏng, điều khiển tự động, gia công chế tạo…

Chúng tôi đã từng bước nghiên cứu, phát triển, cải tiến và cho ra đời giải pháp R&D mới cho hệ thống lạnh, công nghệ ô tô, công nghệ máy bay, hệ thống an toàn, robot, xây dựng dân dụng, thủy lợi, năng lượng…

Nếu quý công ty có nhu cầu cần hợp tác, hoặc biết thêm thông tin chi tiết. Xin vui lòng liên hệ qua những kênh sau đây:

Email: viettechview.kh@gmail.com

Hotline: 0363 999 110

Rất mong nhận được hợp tác và phục vụ.

Chia sẻ: