高焓条件下进入、下降与着陆飞行器的弓形激波不稳定性

层流-湍流转捩仍然是进入、下降与着陆（EDL）飞行器气动热设计中的一个主要不确定性因素。我们表明，在高焓火星进入条件下，脱体弓形激波和激波产生的剪切-熵层在自由流扰动下可能变得不稳定，导致非线性失稳和壁面加热增强。该分析涵盖了地球和火星高空条件下高达30的自由流马赫数（$M_\infty$），其中火星更易受影响。感受性分析表明，扰动放大通过一个三步机制发生：（i）声学和熵自由流分量穿过弓形激波的透射和放大；（ii）在激波后剪切-熵层内的进一步对流放大；以及（iii）由下游压力场驱动的弓形激波波纹化，这加剧了不稳定性。主导响应局限于激波层，不需要经典的边界层模态。总最优能量增益标度为$\overline{G}_T^{\rm opt}\sim \gamma_2^*M_\infty^2 \exp[(\rho_2/\rho_1)/C-B/\sqrt{Re_\infty}]$，其中$\gamma_2^*$是有效比热比，$\rho_1$和$\rho_2$是激波前和激波后的密度，$Re_\infty$是自由流雷诺数，$B$和$C$是与几何相关的常数。对于一个代表性的火星进入EDL飞行器，放大因子达到$10^6$量级。来自火星科学实验室（MSL）和火星2020/毅力号舱的飞行测量结果与这些结果一致，在代表性火星进入条件下对MSL进行的壁面模化大涡模拟也是如此。这些结果表明，弓形激波不稳定性可能构成钝头高超声速进入飞行器的一种转捩机制，无论是单独作用还是与其他机制共同作用。