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随着航空、航天、兵器等领域的高速发展，降落伞的工作包线从亚声速扩展到了超声速，超声速降落伞已经成为回收着陆领域的研究热点，但超声速降落伞的相关理论并不成熟，其设计及分析主要依赖于亚音速下的理论方法及经验公式，在超声速领域存在极大的误差。本文主要基于伞衣织物材料透气及柔性两个重要特点开展超声速降落伞的性能研究，旨在逐步构建超声速降落伞的理论体系和分析方法，为超声速降落伞的设计提供依据。本文的具体工作如下：
（1）超声速透气性伞衣流场模型及气动性能研究
伞衣织物是一种特殊的多孔介质，其透气性对降落伞的气动性能有非常重要的影响，准确的透气性模型可以提高降落伞气动性能预测的准确性，但现有的织物透气性模型还没有考虑流体的可压缩性，无法直接应用于超声速降落伞的模拟。本文将可压缩Ergun公式引入动量方程的源项，建立了针对可压缩流体的绕透气织物新型流场模型并进行了数值计算，研究了超声速透气伞衣的气动性能，探究了织物透气性对稳降状态的超声速降落伞流场结构、阻力性能、稳定性的影响。
（2）超声速自接触大变形流固耦合方法研究
伞衣织物是一种仅能承受拉力不能承受压力的柔性材料，其外形受流场影响很大，降落伞工作过程是典型的流固耦合强非线性作用过程。超声速降落伞来流可压缩，且相较于亚声速降落伞，其流场结构更复杂、伞衣变形更大更快。因此，超声速降落伞流固耦合数值模拟难度远大于亚声速降落伞。针对上述问题，本文改进了目前的包含贴体网格的任意拉格朗日欧拉（Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE）方法，使其适用于超声速自接触大变形流固耦合问题。首先提出了新型的虚拟结构接触法，该方法将接触的耦合面网格投影到虚拟区域，使接触面网格之间保持至少一个流场网格的间距，避免耦合接触面之间的贴体网格过度压缩而出现失效。然后在此基础上，在原有的动网格方法中加入全局重构方法，将中断处的流场数据插值到重构网格上，对结构求解器进行重启动，实现了耦合中断点的无损重启。上述方法通过双板对撞和降落伞伞衣接触模拟验证了有效性。
（3）改进的流固耦合方法在超声速降落伞上的应用研究
在上述耦合模型和方法的基础上，本文以超声速盘缝带伞为研究对象，分别进行了稳降及充气阶段的流固耦合数值模拟，在结构模拟中，采用一维线弹性材料模拟伞绳和加强带，采用Kirchhoff 材料模拟伞衣；在流场模拟中，建立了ALE描述的流场方程，并采用动静网格结合的方法减少计算消耗。对耦合数值结果进行了深入分析，有如下结论：
1）对流场进行了深入分析，发现前体非定常尾流和伞前激波相互干扰，会导致伞内压力出现周期性加压/减压，这是造成伞衣呼吸振荡的主要原因；裙口外侧的异常高压，会使伞衣呼吸振荡过程中出现非对称性裙口内塌，而非定常的流场行为又使得这种内塌行为随机性强、不可避免。上述分析揭示了伞衣呼吸振荡、裙口内塌行为的工作机制。
2）研究了不同拖曳比下的流场结构，认为伞-载系统的绕流流场存在开式流动和闭式流动两种结构，开式流动的伞衣处于前体尾涡区，阻力性能很差；随着拖曳比的增加，开式流动会向闭式流动转变，伞前会形成弓形激波，伞衣阻力系数值较大。上述研究为拖曳比设计提供了理论依据。
3）研究了超声速盘缝带伞的充气规律，研究结果表明盘缝带伞充气过程中，盘结构的充气先于带结构，在伞衣张开的过程中，伞内流场逐渐由无漩涡变为盘带各一对漩涡，最后盘带漩涡融合；伞衣会出现过充达到最大投影面积，此时激波脱体距离最大，伞内压力最小，接着由于伞绳的束缚回弹至工作直径，并出现周期性呼吸现象；盘部位最大应力出现在最大开伞动载时刻，而带部位的最大应力出现在投影面积最大时刻；充满后的伞衣应力远小于充气阶段。上述结果揭示了超声速降落伞充气过程流场-结构相互作用的工作机理。
（1）超声速透气性伞衣流场模型及气动性能研究
伞衣织物是一种特殊的多孔介质，其透气性对降落伞的气动性能有非常重要的影响，准确的透气性模型可以提高降落伞气动性能预测的准确性，但现有的织物透气性模型还没有考虑流体的可压缩性，无法直接应用于超声速降落伞的模拟。本文将可压缩Ergun公式引入动量方程的源项，建立了针对可压缩流体的绕透气织物新型流场模型并进行了数值计算，研究了超声速透气伞衣的气动性能，探究了织物透气性对稳降状态的超声速降落伞流场结构、阻力性能、稳定性的影响。
（2）超声速自接触大变形流固耦合方法研究
伞衣织物是一种仅能承受拉力不能承受压力的柔性材料，其外形受流场影响很大，降落伞工作过程是典型的流固耦合强非线性作用过程。超声速降落伞来流可压缩，且相较于亚声速降落伞，其流场结构更复杂、伞衣变形更大更快。因此，超声速降落伞流固耦合数值模拟难度远大于亚声速降落伞。针对上述问题，本文改进了目前的包含贴体网格的任意拉格朗日欧拉（Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE）方法，使其适用于超声速自接触大变形流固耦合问题。首先提出了新型的虚拟结构接触法，该方法将接触的耦合面网格投影到虚拟区域，使接触面网格之间保持至少一个流场网格的间距，避免耦合接触面之间的贴体网格过度压缩而出现失效。然后在此基础上，在原有的动网格方法中加入全局重构方法，将中断处的流场数据插值到重构网格上，对结构求解器进行重启动，实现了耦合中断点的无损重启。上述方法通过双板对撞和降落伞伞衣接触模拟验证了有效性。
（3）改进的流固耦合方法在超声速降落伞上的应用研究
在上述耦合模型和方法的基础上，本文以超声速盘缝带伞为研究对象，分别进行了稳降及充气阶段的流固耦合数值模拟，在结构模拟中，采用一维线弹性材料模拟伞绳和加强带，采用Kirchhoff 材料模拟伞衣；在流场模拟中，建立了ALE描述的流场方程，并采用动静网格结合的方法减少计算消耗。对耦合数值结果进行了深入分析，有如下结论：
1）对流场进行了深入分析，发现前体非定常尾流和伞前激波相互干扰，会导致伞内压力出现周期性加压/减压，这是造成伞衣呼吸振荡的主要原因；裙口外侧的异常高压，会使伞衣呼吸振荡过程中出现非对称性裙口内塌，而非定常的流场行为又使得这种内塌行为随机性强、不可避免。上述分析揭示了伞衣呼吸振荡、裙口内塌行为的工作机制。
2）研究了不同拖曳比下的流场结构，认为伞-载系统的绕流流场存在开式流动和闭式流动两种结构，开式流动的伞衣处于前体尾涡区，阻力性能很差；随着拖曳比的增加，开式流动会向闭式流动转变，伞前会形成弓形激波，伞衣阻力系数值较大。上述研究为拖曳比设计提供了理论依据。
3）研究了超声速盘缝带伞的充气规律，研究结果表明盘缝带伞充气过程中，盘结构的充气先于带结构，在伞衣张开的过程中，伞内流场逐渐由无漩涡变为盘带各一对漩涡，最后盘带漩涡融合；伞衣会出现过充达到最大投影面积，此时激波脱体距离最大，伞内压力最小，接着由于伞绳的束缚回弹至工作直径，并出现周期性呼吸现象；盘部位最大应力出现在最大开伞动载时刻，而带部位的最大应力出现在投影面积最大时刻；充满后的伞衣应力远小于充气阶段。上述结果揭示了超声速降落伞充气过程流场-结构相互作用的工作机理。