降落傘的案例
【降落傘數值模擬】超音速降落傘流固耦合數值模擬
超音速降落傘在航天工程中有著廣泛地應用。 中國第一次登陸火星的天問一號探測器于2021年5月15日在烏托邦平原的南部預定著陸區降落。 其中，最難的便 是降落 傘著陸過程。 超音速降落傘技術是減速環節中最難的一步，在使用降落傘時必須確保在低動壓、低音速、低動壓的情況下，而這個過程容易出現開傘困難、開傘不穩等狀況。 因此，采取合理的解決方式十分重要。 可利用XFlow軟件模擬流體運動，Abaqus軟件模擬降落傘的受力和運動，兩者結合來模擬真實情況下超音速降落傘的流固耦合運動。 下圖為數值模擬結果。
（1）當馬赫數為1.5時，超音速降落傘流固耦合數值模擬渦量變化結果：
（2）當馬赫數為0.3時，超音速降落傘流固耦合模擬結果流場變化結果：
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展開 降落傘流固耦合開傘仿真
1項目背景
降落傘作為一種氣動減速裝置，由于具有重量輕，體積小，穩定減速效果好，加工方便以及成本低等優點，在國防科學、民用技術及航空體育運動等領域中均得到了廣泛地應用。降落傘開傘充氣過程是一種快速大形變狀態下結構動力學與流體動力學耦合的復雜問題。首先，由于降落傘是個柔性織物透氣體，它在開傘過程中經歷了急劇的結構大變形，這是一個幾何非線性與材料非線性并存的瞬間大變形結構動力學問題。其次，傘衣內外的流場十分復雜。傘衣內部流動是顯著的湍流狀態；而傘衣外部，流場則存在著嚴重的分離現象；同時還有部分氣流透過傘衣織物。再次，在充氣過程中，傘衣的結構變形與傘衣周圍的流場變化的相互耦合也是十分復雜的。如：變形、透氣性影響了傘衣周圍壓力場的變化，而壓力場的變化反過來又對傘衣形狀產生影響，由此形成了一個復雜的、相互作用的過程。
總之，應該建立何種合適的數學模型來對其氣動力進行分析，還一直是困擾降落傘理論研究的一個難點和盲點問題。本文應用基于ALE（Arbitrary Langrangian Eulerian）的ESI流固耦合方法，對降落傘的開傘過程進行仿真分析，得到其充滿狀態與開傘動載隨時間變化規律，為降落傘的設計提供參考依據。
2模型建立
2.1折疊傘衣建模
折疊傘衣建模如圖1所示，傘衣上截面和下截面分別建立對應的傘幅，傘面依次填充即可，在建模過程中要保證上截面和下截面線性過渡。
圖1 折疊傘衣建模
2.2 網格劃分
幾何共分為傘衣、傘繩、動力源和空氣域四部分，最終劃分的網格如圖2所示。
展開 【流固耦合】降落傘充氣過程流固耦合分析
計算結果展示如下：
圖3 不同時刻降落傘充氣狀態（0s；0.3s；0.6s；1s）
降落傘充氣展開視角1
降落傘充氣展開視角2
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LS-DYNA降落傘展開模擬
降落傘充氣過程的仿真結果及分析
4.1 降落傘充氣過程的數值模擬
4.1.1單降落傘充氣展開過程
FSI案例 | CFX和Mechanical做降落傘的FSI耦合計算
本案例演示在ANSYS 18.0環境下，CFX+Mechanical求解降落傘流固耦合的基本操作流程。
問題描述
本案例要計算的模型如下圖所示，為典型的降落傘流固耦合問題。演示如何通過CFX
+
Mechanical，模擬薄膜一類的對象的受力和變形。代表降落傘傘衣的薄膜假設為彈性材料，因為Mechanical暫時沒有纖維材料模型。降落傘系留的載荷為一個流線體外形（如果采用鈍頭體外形，則產生的尾流將會與降落傘干擾，導致流場收斂困難以及周期延長，不適合立竿見影的演示內容）。
案例所需的文件為Spaceclaim格式幾何文件，已經集成在sc_parachute.wpbz文件中，下載鏈接：http://pan.baidu.com/s/1mhZuZP2 密碼：lbut
啟動Workbench
打開sc_parachute.wpbz工程文件后，可以看到工作區由Static
Structural，CFX和System Coupling組成，Static
Structural的Geometry和CFX的Geometry相連，CFX的Setup和System Coupling的Setup連接。
幾何準備
把幾何部件按照Mechanical/Structural和CFX/Fluid分類為獨立的part；
把傘衣曲面（Surface）復制到Fluid中，如圖。在SpaceClaim中，要把“Share Topology”設為“Merge”，這樣當Structural部分開始生成網格時，對應的Fluid中的傘衣曲面就會從Structural中分離出來。
展開 降落傘開傘CAE仿真
仿真背景：
降落傘系統作為一種高效、可靠的回收裝置，在我國載人飛船、返回式衛星的回收著陸以及美國火星探測器的著陸等過程中，都得到了廣泛的應用，LS_DYNA軟件是著名的顯式動力分析程序，具有強大精確的有限元仿真性能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和算法選擇，能夠很方便地處理各種高度非線性問題。到目前為止，它是對降落傘充氣過程進行仿真的最優工具之一。
仿真工具：前處理：hypermesh14.0 求解器：LS_DYNA971R7
仿真結果：
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號碼：“hello_cae”
展開 NSC ExoMars高空投放降落傘試驗
更多信息請參考：HADT|ExoMars降落傘測試向前推進
HADT - High Altitude Drop Test
HADT就是高空投放測試，一般是使用高空氣球平臺把被測載荷（或人員）帶到臨近空間高度投放，利用勢能使被測載荷加速，可用于模擬火星大氣再入，飛船再入后的降落傘測試，超音速飛行器自由落體加速，高空極限超音速跳傘，微重力試驗等，是高空氣球的一種典型應用模式。
祝融號傳回最新的火星照片，發現它的降落傘和保護罩
7月12日，中國的火星探測車——祝融號讓我們近距離觀察了它在5月安全降落紅色星球上時所使用的一些重要裝備。其中包括它的降落傘和后殼保護罩，它們靜靜地散落在烏托邦平原的紅色泥土上。
中國首輛火星探測車——祝融號和著陸器的合影
祝融用其前后兩組攝像頭拍攝了多張黑白照片，其中一張照片上還顯示了漫游車自己的“足跡”，最讓人驚嘆的是祝融號還拍攝了降落傘后殼組件的一幅彩色照片。（在穿越火星大氣層的途中，后殼覆蓋火星車及其著陸器，對它們進行保護。）
祝融號于2021年7月12 日拍下的降落傘和后殼彩色照片
祝融號是中國火星探測任務——天問一號任務的一部分，天問一號于2020年7月發射升空，并于今年2月抵達紅色星球的軌道，大約比NASA的毅力號早到達一個星期。拍攝這幅彩色照片時，祝融號距離后殼約30米遠，距離著陸點約350 米，后蓋結構保存完整，能夠看到明顯的燃燒痕跡。
祝融號從另一個角度拍攝到降落傘和后殼的黑白照片
5月15日，祝融號脫離天問一號軌道器并成功降落在紅色星球表面，使中國成為繼美國之后第二個成功在火星表面部署探測車的國家。（蘇聯的火星3號飛船于 1971年成功著陸，但僅2分鐘后就宣布失聯；歐洲航天局的小獵犬2號著陸器于2003年12月著陸，但隨后也失去聯系。）
這張照片也拍攝于7月12日，能清楚地看到祝融號的“足跡”
祝融號的設計壽命為90個火星日（約93個地球日），在任務期間，祝融旨在研究其周圍環境的地質和地形，以及尋找埋藏的水冰。如果一切按計劃進行，天問一號軌道飛行器除了執行自己的觀測任務外，還負責祝融號與地球間的通信中繼，它將至少運行一個火星年（約687個地球日）。
展開 當飛行安全遇到航空工業造：兩架美國飛機相撞后……
5月12日，一架西銳SR22飛機與一架SA226-TC Metro III飛機在美國科羅拉多州上空相撞……
對此，美國不少媒體在報道中將其稱為“奇跡般無人傷亡”——
之所以如此，是因為西銳SR22飛行員緊急啟動了西銳整機降落傘系統（CAPS），兩架飛機成功降落，雖然機身嚴重受損、斷裂，但慶幸無人受傷。
西銳整機降落傘系統（CAPS）再次引起行業內外的高度關注：為什么CAPS被譽為“救命神器”？西銳飛機緣何成為最安全的通航飛機之一？
當“英雄情結”遇到“安全至上”
二戰后的美國航空業環境中，不少飛行員都是軍機飛行員出身，人們普遍認為“好的飛行員永遠不需要降落傘”。還有一些人認為，即便給整機加上降落傘，這樣的設計也未必實用。此外，還有一種意見，認為輕型飛機/超輕型飛機起降性能好，滑翔性能好，即使飛行中發生故障也可憑出色的滑翔性能在公路或其它平地安全著陸，因此沒有必要配備整機降落傘系統。
艾倫·克拉普邁耶
但隨著通用航空產業的擴充與發展，飛行安全已經成為了整個行業高度關注的重點。西銳公司前共同創始人兼首席執行官艾倫·克拉普邁耶（Alan Klapmeier）就曾經有過一段驚心動魄的記憶——
1985年，艾倫與教員進行儀表培訓時，發生了一起空中撞擊事故。幸運的是，他最后將飛機安全降落，而另外一架飛機的飛行員卻沒有那么幸運。幸存的艾倫就此產生了在每一架西銳飛機上安裝整機降落傘的想法。
展開 首次試飛的最后一個考驗：SpaceX載人龍飛船將返航
（原標題：SpaceX’s Crew Dragon now has to prove it can come back to Earth in one piece）
圖1：2016年，SpaceX的載人龍飛船進行降落傘測試
網易科技訊3月8日消息，據The Verge報道，SpaceX“載人龍飛船”（Crew Dragon）的首次試飛將于美國當地時間8日結束，屆時這艘航天器將脫離國際空間站，并試圖使用降落傘在大西洋中濺落。這是此次試飛任務的最后一個重要里程碑，也可能是載人龍飛船面臨的最大挑戰。
載人龍飛船需要證明，其新穎的外形和降落傘系統能夠完整地在地球大氣層中濺入水中存活，同時保持其內部貨物的安全。當它返回地球時，里面不會攜帶人類人類乘客。但是，作為美國宇航局（NASA）“商業宇航員計劃”（Commercial Crew Program）的重要組成部分，載人龍飛船將在未來幾年內負責將NASA宇航員運送到國際空間站。當然，之后它必須把他們安全地帶回地球。
載人龍飛船的著陸技術與其前身SpaceX的貨運龍飛船相似，后者自2012年以來始終在往返于國際空間站。在從太空重返地球大氣層后，貨運飛船會展開降落傘，以便安全降落在太平洋中。實際上，人類利用這種方式從太空返回已經有幾十年了。早在20世紀60年代和70年代的雙子座（Gemini）、阿波羅（Apollo）和太空實驗室（Skylab）任務期間，NASA的宇航員就經常通過降落傘在海洋中濺落。但是，當航天飛機在20世紀80年代開始飛行時，所有的宇航員從太空返回時都在堅實的地面上著陸。
圖2：SpaceX的載人龍飛船接近空間站時的場景
出于這個原因，載人龍飛船的這次著陸將接受大量的考察，特別是當其再次進入地球大氣層時。載人龍飛船可能與貨運龍飛船相似，但兩者的形狀略有不同，這可能會造成問題。
展開 【見多識廣】C919身后為何開出一朵傘花？關鍵時刻保命，讓國產飛機更安全
相信大家對降落傘都不陌生，它主要是通過面積較大的傘蓋，產生很大的空氣阻力，以減緩人或物體在空中下落的速度，保證他們的安全。戰機飛行員、傘兵和飛翼運動員都配備有降落傘，宇宙飛船返回地球的時候也需要通過降落傘來減速，可是你見過客機尾后拖著長長的“降落傘”的嗎？近日，我國國產大客機C919就上演了這一幕。
看，C919身后拉出一朵傘花
很多人總是想象，能不能給客機配一套降落傘，在遇到危險的時候，像人跳傘一樣整機安全降落，豈不是可以大大減少空難事故的發生？抱歉，C919身后拉出的這朵傘花，并不是干這個用的，但它確實也與飛機的安全密切相關，它的名字叫“失速改出傘”。據媒體報道，今年6月24日，C919的首架原型機B-001A在陜西閻良成功進行了失速改出傘系統空中開傘/拋傘試驗，驗證了失速改出傘系統的功能及可靠性。而幾天后，6月30日，它完成了左右兩個方面的90度大坡度滾轉之后，又再次完成了失速改出傘試驗。
C919大坡度滾轉試飛
客機地面滑跑測試失速改出傘，這可不是減速傘
所謂失速改出傘，就像第一張圖片里展示的一樣，外形像個小降落傘，但它并不是為飛機安全著陸用的，而是用于幫助飛機克服恐怖的失速狀態，起死回生。由于仰角過大，或者在飛行過程中突然掉入“升力懸崖”，飛機可能會進入失速尾旋狀態，機翼的升力會急劇下降，舵面失效，單純依靠空氣動力已經無法避免機毀人亡了。
處于失速狀態下的客機
此時，從飛機尾部拋出一個失速改出傘，利用慣性和反作用力強迫飛機低頭或者抬頭，回正飛行姿態并恢復氣動特性，從而幫助飛行員從致命的失速尾旋狀態改出，恢復正常飛行。說失速改出傘系統就是飛機進入失速狀態之后的“救命”系統，一點也不夸張吧。
展開 
142米，水火箭沖沖沖
上期我做了個水火箭，由于降落傘在上升階段提前打開，而后纏繞在箭體上，就讓上升的火箭，變成了下落的導彈，而且飛行高度受到很大影響，最后只飛了78米。
我不甘心，決定再次嘗試。詳細檢查了箭體，經過加壓測試后動力艙完好無損，看來我做的動力艙還挺結實的。
只有頭部的整流罩和降落傘艙摔壞了。于是重新3D打印了整流罩，重新制作了降落傘，由于上次傘艙提前打開的教訓，這次將傘艙打開時間延長到了7秒，并用鼓風機高速吹，模擬火箭上升過程周圍氣流可能對傘艙的干擾，沒有問題。
來到發射場地，繼續飛。準備，3，2，1！火箭啟動直沖云天，鏡頭難追身影忽閃；降落傘按時綻放如蝶翩翩，草坪輕落，一切完美無間！
怎么不顯示，怎么不顯示，啊嗚嗚嗚，不會吧。萬萬沒想到，測高儀壞了。
好事多磨，再來。老板，還買測高儀，2個，急用。空運給你，明天能到！
再次來到發射場地，這次放2個測高儀互為備份，肯定妥妥的了。準備，3，2，1！火箭啟動直沖云天，鏡頭難追身影忽閃；降落傘按時綻放如蝶翩翩，然后……
啊，下來了下來了。哇，好激動，多少。135米！可以可以！
這次飛行，除了降落傘艙受損，其余都完好，所以當時決定就地修復傘艙再飛一次，看還能不能飛得更高。準備，3，2，1！
哇，142米！太牛了！收工！
這枚水火箭，我制作了2天，飛行3天，試飛5次，耗材2個整流罩，3個測高儀，最后終于飛出了比較滿意的高度，雖然過程有些許曲折坎坷，但整體我覺得算幸運的了。
哦對了，還有更幸運的，就是在過程中，我還造出了一條小小彩虹，希望把這份小小的幸運送給屏幕前的你，朋友，好運！下期見！
展開 我做了一個水火箭
在中間加些連接件以便更牢固，加了尾翼增加飛行過程的平穩性，同時，為了安全回收，還做了個降落傘，確保它掉下來時不會摔得七零八落砸到花花草草。
最后封頂，完工。
額，這個火箭的頭部，作為一個流體UP，怎么看都覺得它不流體。
一般真實火箭會有一個整流罩，除了隔熱，其流線形狀還有減小空氣阻力的作用。
看來我的水火箭得換個頭。以真實火箭整流罩為基礎，按照我的水火箭尺寸建了模，用天洑優化軟件AIPOD以40m/s運動時阻力加重力最小為優化目標進行自動仿真優化，一晚上AIPOD自動算了近百個案例，第二天一早，我得到了想要的模型。它的重力加阻力是2.8牛，我也計算了原來的小頭同等區域重力加阻力是4.7N，也就是新模型可以給頭部減阻40%。就用它了。
下午我便拿到了3D打印的精心設計的整流罩。換個頭，嗯，這回看著就舒服多了。
來到發射場地，給動力倉注入水，加水量影響到飛行的高度，這是個經驗值，多數情況可加動力艙體積的三分之一。然后加到7個大氣壓。架好底座，設置好回收降落傘。為測飛行高度，在里面加了個測高儀。
準備 3-2-1。
降落傘在下落時沒有呈打開狀態，火箭以巡航導彈的姿態下來了，頭部摔得粉碎，好在測高儀完好，顯示飛行高度是78米。
比預想得低了些，回來后仔細回看視頻分析原因，是由于降落傘打開早了，在上升階段傘已經打開，既阻礙了向上飛行，又導致箭體下落時直接沖進傘腔里，降落傘無法正常工作。
我設置的是5秒打開降落傘，實際在空中2秒就開了，會不會是因為氣流沖擊等原因后續還需要詳細分析。對于我的首飛，就這樣啦，以后有機會再給大家飛。
我覺得水火箭的想法很是巧妙，真實火箭通過燃燒液氫液氧獲得高速氣體，火箭推力等于單位時間噴出物質的質量乘以噴出的速度。
展開 流固耦合經驗淺談
舉例說明，該物資空投案例來自ANSYS與法國DGA航空系統的成功合作；背景如下：在貨物空投過程中，要保證與地面沖擊后，貨物不受損壞；那么其關鍵所在就是最終著陸是的速度和姿態；但貨物出倉后的姿態角度、自由落體、下降中降落傘的打開過程、完全打開后的下落過程均會影響最終的速度和姿態；整個仿真將其分為一下幾個部分：
工況1、貨物出倉過程；
飛機外流場由fluent計算，貨物運動過程由overset處理；Workbench結構模塊計算貨物傳動，考慮摩擦力、重力等；通過該雙向FSI（fluid structure interaction）得到出倉后的姿態；
工況2、自由落體過程（降落傘未開啟）
屬于剛體降落，可單獨用fluent的6DOF來處理，其初始狀態由工況1獲得；
工況3、降落傘開啟
該部分涉及高度變形，采用ls-dyna進行處理，得到最終降落傘開啟后的狀態，其初始狀態由工況2獲得；
工況4、開啟降落傘后的下降過程
采用雙向FSI處理，得到最終著陸前的角度和速度，其初始狀態（降落傘完全開啟）由工況3獲得；
工況5、著陸
典型的跌落工況，由ls-dyna處理，考慮最終貨物的受損情況；
四、涉及到知識點
針對于流固耦合工況（特別是雙向）而言，涉及到的知識點非常的多；以fluent與Workbench中的structural為例（事實上是CFX、ABAQUS、ls-dyna等我都不會，慚愧）；通常用到的知識點如下：
模型方面：建議spaceclaim，對模型的修復處理效果極佳；
網格方面：建議ANSYS
展開 流固耦合-降落傘
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