如今，距離 NASA 的阿波羅 11 號首次登陸月球已近50 周年，彼時指令長尼爾?阿姆斯特朗說出了那句名言“這是我個人的一小步，但卻是人類的一大步”。我們認為，對 CAE 過去、現(xiàn)在和未來在航天工業(yè)上的應用進行回顧（懷舊之情）和展望（大膽想象）是有益的。

我們相信，我們正在接近人類進行太空旅行和太空探索的另一個黃金時代，技術進步將使空間探索民主化、擴大化，并將超越各國政府的界限。這個發(fā)展進程迫切需要遠超以往的大量 CAE 仿真，并且環(huán)境也更富有挑戰(zhàn)性，要想預測性能、減輕失敗風險、降低昂貴的報廢成本，沒有哪個解決方案比 CAE 更具成本效益。對于航天工業(yè)的 CAE 工程師來說，這是最好的時代！

值得指出的是，隨著 20 世紀 50 年代和 60 年代蘇聯(lián)人造衛(wèi)星空間計劃的成功，美國總統(tǒng)約翰?肯尼迪于 1962 年發(fā)表了那篇著名的演講，懇請他的美國同胞在 1970 年之前將人類送上月球并返回。之后 1967 年發(fā)生了悲劇，阿波羅 1 號的三名宇航員死在發(fā)射臺上，這意味著 1969 年的登月計劃本身存在著極高的風險。英國廣播公司（BBC）去年播出了一個優(yōu)秀的廣播紀錄節(jié)目（參考文獻 2），節(jié)目中所述的 1968 年的載人阿波羅 8 號月球軌道飛行任務是阿波羅 11 號登月的重要前奏。宇航員 William Anders 拍攝的那張廣為人知的“地球升起”照片（左圖）就是在這次任務中誕生的。這張照片在全球掀起了環(huán)境運動浪潮，并向我們展示出這顆藍色星球在廣袤漆黑的太陽系中是如此的獨一無二、絢麗奪目而又岌岌可危。這次任務是人類首次離開自己母星的軌道，不排除一去不返的風險。阿波羅 8 號繞月采用的拋射軌道極為危險，但為證明載人登月的可能性此舉卻必不可少。

1968 年圣誕節(jié)剛過，任務取得了巨大的成功。正如我們所知，1969 年的登月創(chuàng)造了歷史。如果您想查閱理查德?尼克松總統(tǒng)為阿波羅 11 號任務一旦失敗而準備的發(fā)人深省的演講，可查看 Space.com 上的文章（參考文獻 3），以便了解這一歷史性的任務需要冒多大的風險。

第二次世界大戰(zhàn)后，隨著“鐵幕”（溫斯頓?邱吉爾語）降臨整個歐洲，全球進入“冷戰(zhàn)”時期。與幾乎所有戰(zhàn)爭一樣，科學和工程領域都獲得了意想不到的紅利；明爭暗斗的各國政府開始大量采用仿真軟件來設計與國防有關的核導彈、進行空間探索，在西方大國與蘇聯(lián)之間展開了旨在爭奪全球技術主導權和全球話語權的競賽。甚至可以這樣說，航天工業(yè)及其相關的導彈和發(fā)動機設計挑戰(zhàn)，很可能是 20 世紀中后期 CAE 取得長足進步的最大催化劑之一，并且最終衍生出今天我們所熟知的商業(yè) CAE 產(chǎn)業(yè)（見參考文獻 4、5、6）。

Richard H. MacNeal 博士（下圖中坐于右側(cè)者）于 1963 年與 Robert Schwendler（此照片中未顯示）共同創(chuàng)立了 MSC，當時取名為 MacNeal-Schwendler。在他們的帶領下，MSC 開發(fā)出自己的第一個結(jié)構分析軟件 SADSAM（利用模擬法數(shù)字仿真進行結(jié)構分析），并且深度參與了航空航天工業(yè)的早期工作，改進了早期的有限元分析技術。

為響應 1965 年美國國家航空航天局（NASA）對通用結(jié)構分析程序建議的要求，MacNeal 博士成功地對地面上的實物試驗進行仿真，通過計算得到了可以讓人類登月的正確答案和正確物理結(jié)果，為航空航天業(yè)的早期工作做出了巨大貢獻（參考文獻 1）。MSC Nastran 的核心是 NASA 用來對阿波羅太空計劃進行結(jié)構分析的代碼。1971 年 MSC 軟件發(fā)布了同一軟件的商業(yè)版本，據(jù) NASA 估算，自那時起至 2003 年，MSC Nastran 在有限元仿真技術的創(chuàng)建、擴展及傳播方面為社會（有形和無形）貢獻的經(jīng)濟價值高達 100 億美元（參考文獻 2）。

自尼爾?阿姆斯特朗執(zhí)行阿波羅 11 號載人登月任務在月球上邁出第一步（1969 年 7 月 20 日）至今已過去近半個世紀，這 50 年來，CAE 始終默默無聞地效力于航天事業(yè)，既鮮為人知又無人稱道。此外，MSC 軟件的工具和解決方案一直是當代航天工業(yè)仿真和相關設備設計的先鋒——從多體動力學到聲學，從 FEA（有限元分析）到 CFD（計算流體動力學），乃至后來的材料分析和新型制造技術（例如增材制造）。MSC 在 CAE 領域擁有無與倫比、獨一無二的協(xié)同仿真能力，能為過去和現(xiàn)今的航天工業(yè)提供各種最準確、最可靠的工程仿真（見圖 1）。

圖1.MSC軟件工具的多物理場CAE應用程序在當今航天工業(yè)中的各種應用

如今，太空再次成為真正的技術進步前沿，諸如 Elon Musk（SpaceX、Tesla）這樣的超級億萬富翁甚至打出了更為奢侈的主張和噱頭——讓一輛無限循環(huán)演奏 David Bowie 曲目的 Tesla 汽車飛向我們所說的外層空間——并且定期舉辦新聞發(fā)布會，公布他的公司下一個讓人瞠目結(jié)舌的太空壯舉。世界上最富有的人——Richard Branson（維珍銀河）和 Jeff Bezos（亞馬遜藍色起源）——也加入了這場太空熱潮，正在爭奪首次由商業(yè)航空公司成功地從地球上發(fā)射載人亞軌道飛機的桂冠（參考文獻 7、8）。閃亮登場的 SpaceX 公司成立于 2003 年，由 Musk 私人所有且利潤豐厚，旨在從太空中賺錢。它不僅徹底改變了商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，而且提出了野心勃勃的計劃：地球同步軌道望遠鏡、月球極地軌道載人空間站、火星殖民，甚至還在研究月球采礦和智能工廠計劃。如今，火星周圍的軌道上已經(jīng)有六顆同步衛(wèi)星。

中國、以色列及印度等新興國家也正在對太空進行爭奪。近期嫦娥六號登月艙和漫游車于 2018 年 12 月在月球背面著陸就體現(xiàn)了這一點（參考文獻 9），私人資助的 SpaceIL 飛行器也已準備于 2019 年 2 月在月球上軟著陸（參考文獻 10）；與此同時，印度雄心勃勃的 Chandrayaan-2 任務也計劃于 2021 年底之前實現(xiàn)載人登月并返回（參考文獻了11）。日本也制定了周密的太空計劃，其隼鳥 2 號著陸器已于 2019 年 2 月成功地攔降落在龍宮小行星上（參考文獻 12）。甚至美國總統(tǒng)唐納德?特朗普也在 2018 年宣布，計劃讓美國的太空部隊成為美軍的第六個軍種（參考文獻 13）。

我們審查了前幾年與航天有關、采用 MSC 軟件解決方案的大量項目，并且注意到一些如今已發(fā)揮作用的優(yōu)秀應用。中國的研究人員（參考文獻 14）去年成功地將 MSC 的 Adams 多體動力學解算器與 DEM 解決方案的 EDEM 結(jié)合到一個協(xié)同仿真鏈路中，建立了一個新型蜘蛛狀機器人著陸器模型，該著陸器能應對其他行星上的崎嶇地形（圖 2）。去年意大利都靈理工大學開展了一項研究，采用 Adams 和 MSC Nastran SOL400 協(xié)同仿真解算器對載人空間應用中可充氣結(jié)構的多體機構進行了分析（參考文獻 15）。他們的數(shù)值結(jié)果展示了含剛性部件和 Kevlar 柔性涂層的可充氣載人太空艙的潛力（圖 3），并就其最佳的結(jié)構性能提出了一些建議。

圖2.在MSC Adams中對中國機器人著陸器進行仿真，并與用于月球表面建模的EDEM相連

圖3.在Adams和MSC Nastran對意大利柔性膜空間站進行仿真

在過去 10 年里，有許多研究人員使用 MSC 軟件的產(chǎn)品來分析月球著陸器和上升飛行器的動力學，圖 4 所示為來自 2018 年俄羅斯科羅廖夫能源火箭航天集團（RSC Energia）的一個典型研究案例。他們使用 Adams 和 Python 腳本來研究在月球表面著陸和起飛時的動力學。2014 年發(fā)表的一篇碩士論文涉及到在荷蘭代爾夫特大學的設計研究，其目的在于研究可充氣月球溫室模塊的最優(yōu)結(jié)構設計（參考文獻 17）。該生采用有限元分析工具 MSC Nastran 驗證了初步設計計算以及與 Kevlar 復合材料的熱承載結(jié)構性能要求的合規(guī)性（圖 5）。最后是 2016 年美國麻省理工學院的碩士論文（參考文獻 18），采用 SimXpert 和 MSC Nastran 來研究由推進系統(tǒng)和太陽能電池組合而成的 CubeSat 衛(wèi)星設計能否抑制太陽能電池板以及將其固定就位的鉸鏈的動態(tài)變化（圖 6）。

圖4.在Adams中對俄羅斯月球著陸與上升飛行器進行仿真

圖5.荷蘭代爾夫特大學提出在MSC Nastran中對可充氣月球溫室進行仿真

參考文獻

1. “找到正確答案”，作者 D. Gallello、D. Neill，MSC 網(wǎng)站，2017年：https://www.mscsoftware.com/sites/default/files/Getting_Right_Answers.pdf

2. “NASA 的創(chuàng)造傳統(tǒng)”，作者 Theron M. Bradley，NASA 總工程師兼 ICB 主席，NASA 發(fā)明與貢獻委員會年度報告，2003 年：https://www.nasa.gov/pdf/251093main_The_NASA_Heritage_Of_Creativity.pdf

3. “工程設計革命——人員、公司及計算機系統(tǒng)永遠改變了工程實踐”，作者 D.E. Weisberg：http://www.cadhistory.net/

4. “月球背面的圣誕節(jié)”，BBC 廣播播客，2018 年 12 月 27 日：https://www.bbc.co.uk/programmes/m0001qn1

5. “如果阿波羅 11 號失敗了怎么辦？尼克松總統(tǒng)已準備好演講”，作者 N. T. Redd，2014年7月22日，Space.com 網(wǎng)站：https://www. space.com/26604-apollo-11-failure-nixon-speech.html

6. “MSC 軟件的歷史”，YouTube 視頻， 2018年3月8日：https://www.youtube.com/watch?v=ueFybc6XXmo

7. Richard Branson 的 Virgin Galactic（維珍銀河）在維基百科網(wǎng)站上的介紹：https://en. wikipedia.org/wiki/Virgin_Galactic

8. Jeff Bezos 的 Blue Origin（藍色起源計劃）在維基百科網(wǎng)站上的介紹：https://en.wikipedia.org/ wiki/Blue_Origin

9. “嫦娥 4 號著陸成為中國在探月之路上邁出的又一步”，A. Jones，太空新聞網(wǎng)站， 2018年12月28日：https://spacenews.com/change-4-landing-to-be-a-step-along-aroad- of-lunar-exploration-for-china/

10. “以色列私人資助的探月裝置發(fā)射升空”，O. Liebermann、James Masters，CNN News，2019年2月22日：https://www. cnn.com/2019/02/22/middleeast/israel-moon-spacecraftberesheet- launch-scli-intl/index.html

11. 印度 Chandrayaan-2 登月計劃在維基百科網(wǎng)站上的介紹：https://en.wikipedia.org/wiki/Chandrayaan-2

12. “日本的隼鳥 2號在龍宮小行星上成功著陸”，K. Lyons、I. Sample，衛(wèi)報，2019年 2月 21日：https://www.theguardian.com/science/2019/feb/22/ japans-hayabusa-2-successfully-touches-down-on-ryugu-asteroid

13. “特朗普總統(tǒng)宣布美國軍隊即將成立可在地球以外發(fā)動戰(zhàn)爭的‘太空軍’”，D. Slattery、C. Sommerfeldt，紐約每日新聞, Mar 13, 2018年 3月13日，http: //www. nydailynews.com/news/politics/trump-announces-u-s-militaryspace- force-article-1.3872617

14. “基于離散元和動力學的空間攀爬機器的粘附機制”，X. Hou、Y. Su、S. Jiang、L. Li、T. Chen、L. Sun 及 Z. Deng，機械工程進展，2018 年卷 10（4）1–15

15. “采用柔性組件的可膨脹空間結(jié)構的多體模型”，M. Petrolo、G. Governale、D. Catelani及 E. Carrera，http://www.techno-press.org/?journal=aas&subpage=7

16. ISSN：2287-5271，2018 年

17. “用編程和程序方式仿真月球著陸與上升飛行器的著陸動力學”，S.V. Borzykh、V.V. Voronin，空間科學與技術，2018 年第 2 期（21）

18. “月球溫室模塊的展開結(jié)構設計”，V. Vrakking，代爾夫特理工大學碩士論文，荷蘭，2014 年

19. “CubeSat 推進系統(tǒng)造成的動態(tài)不穩(wěn)定性”，T. J. Cordeiro, 麻省理工學院碩士論文，美國，2016 年