案例分享 | Avio使用MSC Nastran和Actran確保空間發射器的結構可靠性
背景與挑戰
前往火星的競賽是當前的熱門，但是將要形成數字時代和世界互聯方式的另一場正在進行的太空競賽卻沒那么受關注：衛星。衛星對于我們每天使用的許多服務都至關重要。在過去的幾十年中，由于市場需求的增長，近地軌道（LEO）變得越來越擁擠。為了滿足本地5G網絡的低延遲和千兆位連接性的要求，通過提供寬帶連接實際并實現數字時代，需要開發一個多軌道衛星。它們在更接近地球的地方運行，因此提供的延遲（往返傳輸數據中的延遲）比任何衛星軌道都低。
此外，如歐洲航天局（ESA）哥白尼這項地球觀測計劃旨在實現全球的、連續的、自主的、高品質的、廣泛的地球觀測能力。這將提供準確、及時和容易獲得的信息，以幫助了解和改善環境管理，了解和減輕氣候變化的影響，并確保人身安全。在這種情況下，近地軌道（LEO）衛星至關重要。它們與地球的近距離也意味著發射這種類型的衛星比在更遠距離上運行的其它類型的衛星更便宜，所需的燃料更少。
Avio VEGA項目是ESA的一項針對近地軌道任務的計劃，而相關的Vega發射器是ESA的衛星運載工具，旨在將小型衛星發送到近地軌道。這個小型靈活的發射器自2012年2月首次飛行以來，Vega已成功地將20多個有效載荷送入了軌道。2014年，在ESA成員國部長級會議上，批準了Vega發射器開始下一階段，產生了名為VEGA C的VEGA發射器的新配置，進行了性能的改進，并計劃于2020年進行首飛。
圖 1：Vega發射器-任務概述和階段概述 - www.arianespace.com
在Avio技術團隊克服的多項技術挑戰中，其中之一是確保整個發射器結構和組件的完整性，以確保有效載荷的安全環境。實際上，任何太空火箭發射器都承受著由火箭發動機的排氣流與周圍大氣的混合所產生的巨大的外部壓力負荷。聲負載對于發射器及其組件的正常功能可能至關重要，因為引起的結構振動和內部的噪聲會導致電子和機械組件發生故障。
圖 2：Vega和Vega C發射器
Hexagon|MSC軟件解決方案
Avio的工程師使用Hexagon CAE解決方案MSC Nastran和Actran來預測整個發射器結構在起飛時的振動聲學響應。該計算方法非常簡單，使用MSC Nastran來有效地計算發射器結構的模態振型和相關模態頻率，而Actran用于對聲學環境和聲學負載進行建模。
圖3: 數值分析工作流程
VEGA發射器的上層部分
Avio VEGA和VEGA-C發射器由多個艙段組成，每個艙段對于發射的成功都至關重要。在任務執行期間，發射器的每個部分都有其自己的功能，有效載荷整流罩（也稱為安全護盾）安裝在發射器的最后一級，負責保護有效載荷。它是一個7.8米高，2.6米直徑的外殼，由鋁芯復合CFRP板制成，可保護有效載荷免受熱負荷、空氣動力學載荷、聲學環境和污染的影響。
圖4:Vega整流罩在ESAESTEC大型歐洲聲學實驗室進行上層復合結構的聲學測試
為了評估升空階段發射器上部完整的結構響應，在ESA ESTEC大型歐洲聲學設施中進行了合格飛行狀態的實驗測試。在測試過程中，標準有效載荷被移除，布置麥克風樹測量整流罩內部的聲學環境。此外，結構上還裝有多個加速度計。
Avio的工程師創建了整個上層結構的MSC Nastran有限元模型，使他們能夠計算結構模態振型和模態頻率。通過聲學測試獲得的數據用于校驗VEGA的上部艙段模型和評估Actran軟件提供的不同仿真解決方案。進行這項研究是為了在Actran提供的模擬能力和所需的計算時間之間進行權衡，以便開發新的發射器。第一步，為了快速評估承受外部聲學載荷的結構的總體性能，未對整流罩內部和外部聲學環境進行建模。直接在結構上應用隨頻率變化的擴散聲場（DSF）激勵，該強度級對應于發射時的真實聲環境，并且通過疊加多個平面波的方式得到。這種快速而有用的數值策略可準確了解結構和聲學確實存在弱耦合位置處的結構振動，但無法表示聲腔內部的聲壓級和其與內部結構的相互作用。
圖 5: MSC Nastran提取的模態振型
為了克服該限制，第二種解決方案探索了內部聲腔的仿真。將空腔的有限元模型添加到整個結構中，并研究了兩種可能性：以結構為模態分量和以空腔為物理分量的混合解；以及以結構部件和聲腔為模態組件的全模態解決方案。考慮到計算時間，后一種解決方案被證明更加靈活和通用。通過將隨機平面波疊加直接施加在結構的外表面上獲得了擴散聲隨機場。
作為最終模擬，對測試狀態進行了非常詳細的重建，對外部環境和內部聲腔進行了建模。將擴散聲隨機場應用于周圍的外部流體域。這種模擬的主要好處是可以對外部和內部的所有環境進行精確建模，但是分析涉及的大量自由度在計算機內存和求解時間方面的消耗量也不容忽視。
圖 6: 外部和內部聲域中的相關麥克風和測量點
圖7: Vega整流罩--振動水平比較
為了探索這種分析的高頻能力，使用了高達2000Hz的有限元模型進行了仿真，事實證明，不同方法適用于新發射器開發的不同階段。同時也確定了可能的仿真改進，例如，使用非參數變化方法（NPVM），這是一種通過Actran軟件中基于的Monte-Carlo解決方案框架進行模態頻率響應的非確定性方法。
新型VEGA C發射器
在使用VEGA實驗測試進行驗證階段之后，實施了聲學模擬方法，以評估新VEGA C結構的振動聲響應。特別是針對發射器的所有最敏感部分進行了聲致振動分析。分析對象是固體火箭發動機和VEGA C上部之間的處于不同配置的級間結構。
圖8: Vega C常規數據
圖 9: Vega C – 級間
多級火箭是使用每一級自身的引擎和推進劑的多級運載設備。通過級間結構將不同的級分開。級間結構的功能為，不同級之間的連接以及在分離階段斷開連接。這些結構對振動聲環境非常敏感，因為它們包含飛行所需的許多電子設備。如圖10所示，使用了MSC Nastran和Actran的聯合來評估結構的振動聲響應，其中以315Hz的1/3倍頻帶的加速度頻譜密度為例進行了報道。
圖10: Vega C – 級間響應圖
有效載荷適配器是技術先進的結構元件，盡管其質量很輕，但能承載重要的飛行載荷并有助于發射系統的整體剛度。Vega和Vega-C發射器都提供了極大的任務靈活性，這要歸功于所提供的有效載荷適配器不同，從而可以根據不同的配置同時裝載多個有效載荷。有效載荷適配器處的振動會受到整流罩腔及相關共振的強烈影響。對有效載荷適配器振動的準確預測需要我們考慮如圖11所示的聲學環境，圖中展示了VEGA C發射器上段的配置。在分析中，內部有效載荷與發射器結構和聲腔耦合在一起。圖12中展示了其中的一種配置。可以識別（中間圖）是未來的空間RIDER（歐洲返回式可重復使用的綜合演示器），這是提供給歐洲航天局（ESA）尚在計劃中的無人操作在軌航天器，用于為ESA提供可負擔的日常太空往返，預計2022年首飛。
圖 11：VegaC–有效載荷配置
測試新的建模功能
除了上述FE方法，Avio的工程團隊還使用Actran虛擬SEA方法對整流罩結構進行了SEA分析。在已有有限元模型的基礎上，建立了整流罩結構的SEA模型。
用Actran實現的虛擬SEA方法不需要進行任何實驗或解析表達式來構建SEA模型。這是一個非常有效和經濟的技術，可以將現有有限元模型的振動聲學分析擴展到更高的頻率，而無需SEA專業知識的要求。此外，由于虛擬SEA方法依賴于現有的低頻有限元模型，因此獲得的SEA結果在低頻/中頻處有效，在高頻和中頻結果之間存在平穩過渡。
在整流罩結構上比較了測量結果和Actran Virtual SEA結果。特別是，分析了不同結構區域的平均振動水平。觀察到測量值與Actran虛擬SEA結果之間的匹配非常好。它展示了這種新方法解決此類分析的潛力，并將進一步用于未來的發射器結構分析。.
圖 12: Vega整流罩 – 虛擬SEA分析
關于AVIO
Avio是一家領先的國際集團，從事航天發射器以及固體和液體推進系統的建造和開發。50多年來積累的經驗和專業知識使AVIO處于固體、液體和低溫推進器以及戰術推進器領域的最前沿。Avio在意大利，法國和法屬圭亞那擁有5家工廠，在全球擁有約1000名高素質人員，其中約 30％參與研發。Avio是VEGA計劃的總承包商，也是Ariane計劃的分包商，兩者均由歐洲航天局（ ESA）資助。
關于海克斯康
海克斯康是傳感器、軟件及自動解決方案的全球領導者。公司致力于將數據應用到工作中，旨在提升工業、制造、基礎設施、安全及移動應用的效率、生產率和質量。公司的技術主要用于打造城市和生產生態系統，逐步提高其連通性和自主性——以確保可擴展、可持續的未來。MSC 軟件隸屬于海克斯康制造智能分公司，是十大自主原創軟件公司之一，也是通過仿真軟件和服務幫助產品制造商改進其工程方法的全球領軍者。如需了解更多信息請訪問mscsoftware.com。海克斯康的制造智能分公司提供各種解決方案，通過來自設計與工程、生產與計量方面的數據來提高制造的智能化水平。
如需了解海克斯康（斯德哥爾摩證券交易所納斯達克股票代碼：HEXA B）的更多信息，請訪問 hexagon.com 并通過 @HexagonAB 關注該公司。
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