首頁(yè) > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《Shedding Light on a Shadowy Target》
像壘球這樣小巧而輕量化的物體能夠完成更長(zhǎng)月球任務(wù)并使月球成為行星際旅行的發(fā)射臺(tái)嗎？
來(lái)自亞利桑那州立大學(xué)(ASU)光度實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)由本科生和研究生組成的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)希望他們稱之為VELOS的可配置、多探測(cè)器探索系統(tǒng)可以在這一方向上實(shí)現(xiàn)巨大飛躍。
發(fā)射器沖擊和振動(dòng)仿真的結(jié)果
發(fā)射器靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真的結(jié)果
VELOS是可變探月觀測(cè)系統(tǒng)(Variable Exploratory Lunar Observation System)的縮寫(xiě)，是入圍美國(guó)宇航局“突破性、創(chuàng)新性和變革性(BIG)理念挑戰(zhàn)賽”決賽的項(xiàng)目之一。此次年度競(jìng)賽向高校團(tuán)隊(duì)提供資助，鼓勵(lì)其開(kāi)發(fā)支持宇航局“阿爾忒彌斯計(jì)劃”(Artemis program)的新方法和技術(shù)，該計(jì)劃的任務(wù)是讓人類重返月球。
VELOS系統(tǒng)發(fā)射到虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)環(huán)境中的永久陰影區(qū)
對(duì)于迎接2020年的挑戰(zhàn)賽，學(xué)生們研發(fā)了技術(shù)系統(tǒng)來(lái)探索太陽(yáng)系中最寒冷、最黑暗的地方之一：月球上大部分未知的永久陰影區(qū)(PSR)。人類對(duì)于PSR內(nèi)部和周圍的區(qū)域知之甚少，因此數(shù)據(jù)收集非常重要。
VELOS是最終入圍挑戰(zhàn)賽的八個(gè)項(xiàng)目之一，它提供了一種在發(fā)射器/探測(cè)器組合系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)的方法。其彈射器式發(fā)射器總成能夠在預(yù)設(shè)軌跡上將4個(gè)壘球大小、裝有傳感器的探測(cè)器發(fā)射到PSR以內(nèi)及周圍100米處（109碼，大致相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)的長(zhǎng)度）。VELOS可與任何商業(yè)航天器集成，即向月球提供航天運(yùn)載服務(wù)。
探測(cè)器熱仿真的結(jié)果
VELOS的探測(cè)器可以容納任何合適的傳感器，這意味著該系統(tǒng)最終可用于任意數(shù)量的科學(xué)任務(wù)。然而，就項(xiàng)目而言，ASU團(tuán)隊(duì)專注于一個(gè)特定目標(biāo)：了解風(fēng)化層（即PSR中的松散巖石材料）中存在哪些元素。這包括探測(cè)可以為持續(xù)月球運(yùn)行甚至人類居住提供水源的冰。
探測(cè)器子系統(tǒng)
發(fā)射器子系統(tǒng)
ASU團(tuán)隊(duì)使用Ansys Explicit（Ansys Mechanical功能模塊之一）來(lái)驗(yàn)證VELOS的登月準(zhǔn)備情況，包括結(jié)構(gòu)載荷測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試和墜落測(cè)試。Ansys Workbench的瞬態(tài)熱分析功能提供了探測(cè)器能夠在PSR的超冷環(huán)境中可靠運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)信息。
冰上的未來(lái)
PSR位于月球北極和南極地區(qū)的隕石坑中，這些區(qū)域從未受到陽(yáng)光直射。那里的溫度最低可以達(dá)到35K（-394華氏度），比冥王星的溫度還要低，冥王星的平均溫度略低于45K（-378華氏度）。兩個(gè)地方的最低溫度值都使地球上記錄的最低溫度（184開(kāi)爾文或-128華氏度）看起來(lái)像桑拿。
盡管PSR令人生畏，但似乎它們具有一個(gè)對(duì)未來(lái)深空任務(wù)至關(guān)重要的屬性：冰。
有冰的地方就有水。
在極其干燥的月球上，以冰的形式存在的水對(duì)于科學(xué)、太空探索和人類本身來(lái)說(shuō)可能具有革命性意義。月球上的水源可以維持人類的生命并提供氫氣和氧氣，而氫氣和氧氣是火箭燃料的組成部分。這可以為往返于月球和地球之間的航天器以及那些發(fā)射至火星的航天器提供現(xiàn)成的能量?jī)?chǔ)備。
當(dāng)然，當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)出能夠承受惡劣月球條件的PSR探索技術(shù)，這更不用說(shuō)經(jīng)歷深空旅行的嚴(yán)格考驗(yàn)了。
在最佳情況下，這都是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對(duì)于ASU來(lái)說(shuō)，在時(shí)間緊湊的日程安排中進(jìn)行工作，而且在全球疫情肆虐期間許多測(cè)試設(shè)施臨時(shí)關(guān)閉，使得仿真任務(wù)比平時(shí)更加關(guān)鍵。
從2020年2月收到挑戰(zhàn)賽資助開(kāi)始，ASU只有不到一年的時(shí)間對(duì)VELOS進(jìn)行設(shè)計(jì)、概念驗(yàn)證測(cè)試和驗(yàn)證，并為美國(guó)宇航局準(zhǔn)備演示。如果沒(méi)有快速的設(shè)計(jì)迭代，就不可能在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成任務(wù)。只有高度依賴快速、可訪問(wèn)的仿真才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
仿真沖擊、撞擊與酷寒
VELOS探測(cè)器的主要功能是收集數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)桨l(fā)射器。但是，如果其探測(cè)器無(wú)法承受發(fā)射的沖擊、著陸的撞擊，或該地區(qū)的極端熱環(huán)境，那么這一切都是不可能實(shí)現(xiàn)的。
在Ansys渠道合作伙伴PADT的幫助下，以及包括亞利桑那州立大學(xué)Jim Bell（火星探測(cè)器科學(xué)相機(jī)的主要研究員）在內(nèi)的顧問(wèn)的支持下，該團(tuán)隊(duì)在Ansys Explicit中對(duì)炮塔結(jié)構(gòu)完整性、探測(cè)器墜落測(cè)試和PSR條件的熱響應(yīng)進(jìn)行了仿真。
VELOS使用安裝在旋轉(zhuǎn)炮塔上的預(yù)載彈簧以陣列形式發(fā)射探測(cè)器，從而最大限度地提高數(shù)據(jù)收集潛力。一旦CLPS著陸器的相機(jī)識(shí)別到PSR，炮塔便會(huì)朝其旋轉(zhuǎn)，然后依次發(fā)射4個(gè)探測(cè)器。該團(tuán)隊(duì)對(duì)炮塔開(kāi)展了結(jié)構(gòu)與振動(dòng)分析，以幫助他們了解探測(cè)器發(fā)射期間對(duì)其施加的載荷。這使得結(jié)構(gòu)能夠承受這些力，同時(shí)確保發(fā)射不會(huì)干擾著陸器的敏感設(shè)備。
在設(shè)計(jì)探測(cè)器的外部結(jié)構(gòu)時(shí)，保護(hù)其內(nèi)部的重要電子設(shè)備非常關(guān)鍵。探測(cè)器的外殼由HDPE制成并覆蓋絕緣層，內(nèi)部能量吸收材料（一種航空航天級(jí)碳泡沫）設(shè)計(jì)為在撞擊過(guò)程中發(fā)生可塑性變形但仍能保護(hù)傳感器電子設(shè)備。為了測(cè)試其設(shè)計(jì)的有效性，ASU選擇了代表最壞情況的墜落測(cè)試速度：探測(cè)器在沒(méi)有任何入射角的情況下，以12.72米/秒的速度撞擊風(fēng)化層。
第一次仿真比較了探測(cè)器從1.67米（5.4英尺）的高度墜落到混凝土表面與沙基表面上。產(chǎn)生的加速度用于對(duì)探測(cè)器外殼在發(fā)射到固體表面時(shí)的行為進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。仿真結(jié)果表明，探測(cè)器外殼的性能與設(shè)計(jì)意圖一致。它在最大應(yīng)力處發(fā)生屈服受損變形吸能，為內(nèi)部電子設(shè)備提供剛性保護(hù)。
VR環(huán)境中的VELOS系統(tǒng)和月球著陸器
VR環(huán)境中的月球著陸器
如何確定探測(cè)器電子設(shè)備在35K的溫度下的壽命，找到一個(gè)現(xiàn)成且成本不高的方法是比較困難的。
相反，在使用Ansys Explicit進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真過(guò)程中，ASU團(tuán)隊(duì)使用液氮冷卻進(jìn)行了部分真空測(cè)試，然后驗(yàn)證了物理模型，該模型假定初始探測(cè)器溫度為36℃ (96.8℉)，環(huán)境溫度為-237.85℃ (-396.13℉)。該團(tuán)隊(duì)確定，在失去溫度控制且探測(cè)器停止工作之前，探測(cè)器的電子設(shè)備應(yīng)該能夠連續(xù)工作5個(gè)小時(shí)。
一種新穎、可擴(kuò)展的方法
VELOS物理原型證明，這不僅僅是一個(gè)想象的概念。在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)射器成功啟動(dòng)，將探測(cè)器在地球重力下發(fā)射了超過(guò)16.5米（54英尺），這與月球重力下達(dá)到預(yù)期的100米目標(biāo)相同。以不同距離和方向發(fā)射的兩個(gè)探測(cè)器保持運(yùn)行。
探測(cè)器撞擊仿真結(jié)果
盡管認(rèn)為商業(yè)太空供應(yīng)商可以采用VELOS概念并非沒(méi)有道理，但VELOS的前景如何還不確定。
與此同時(shí)，ASU光度實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，一個(gè)開(kāi)發(fā)全新解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)世界上一些最迫切挑戰(zhàn)的小組，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新性、低成本、可靠且可擴(kuò)展的方法來(lái)探索未知環(huán)境；然而如果不借助Ansys仿真技術(shù)，他們將很難達(dá)到這一目標(biāo)。
有朝一日，他們的系統(tǒng)或許就能幫助科學(xué)家在月球深處黑暗的縫隙中找到水，而宇航員從此能夠成為那里的?？?。
（文章來(lái)源公眾號(hào)：Ansys）
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