本文原載于Ansys Advantage：《We Choose To Go Back To The Moon》

Intuitive Machines通過采用多物理場仿真技術(shù)，助力無人駕駛飛行器在2022年完成登月任務(wù)。

美國宇航局(NASA)計(jì)劃在首次登月時隔50年后重返月球，因而需要開發(fā)一種具有比二十世紀(jì)六十年代更為先進(jìn)技術(shù)的航天器，這對工程師提出了挑戰(zhàn)。NASA打算先將一些執(zhí)行任務(wù)的商業(yè)機(jī)器人送上月球，然后再派宇航員重返月球。

NASA為月球運(yùn)輸任務(wù)選定了兩家商業(yè)公司，Intuitive Machines是其中之一。他們通過使用多物理場仿真技術(shù)，探究新燃料、復(fù)合材料和冷卻系統(tǒng)的特性與工作條件，從而有助于在只有極短時間進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試的情況下，將無人駕駛飛行器著陸到月球表面。

2019年5月31日，Intuitive Machines研發(fā)副總裁Tim Crain（右二）與NASA科學(xué)任務(wù)理事會副署長Thomas Zurbuchen（左二），在馬里蘭州戈達(dá)德太空飛行中心一同探討該公司的月球著陸器。Intuitive Machines是被選中為Artemis計(jì)劃的月球表面探索提供首批月球著陸器的三家公司之一。（圖片來源：NASA/Aubrey Gemignani）

當(dāng)美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪(John F. Kennedy)在1962年9月12日宣布“我們決定登月”時，他承諾在六十年代末實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。這給了NASA工程師七年多的時間，來攻克將人類送上月球并安全返回地球的諸多挑戰(zhàn)。1969年7月，阿波羅11號任務(wù)的成功發(fā)射不僅實(shí)現(xiàn)了肯尼迪的愿景，而且彰顯了人類的智慧與勇氣。

2019年，當(dāng)位于德克薩斯州休斯頓的Intuitive Machines贏得了在2021年將5個NASA安全著陸月球運(yùn)輸任務(wù)的合同時，他們的時間要更為緊迫，這只有短短兩年時間（由于COVID-19疫情的爆發(fā)，這些任務(wù)現(xiàn)已被迫延遲）。正如Intuitive Machines的創(chuàng)始人之一Steve Altemus所指出的，考慮到迄今為止，登月任務(wù)一直是“超級大國的權(quán)限”，而且尚未有任何一家公司實(shí)現(xiàn)過登月目標(biāo)，這是一個相當(dāng)巨大的挑戰(zhàn)。由于時間極其緊迫，他們來不及構(gòu)建和測試多個原型來逐步解決問題。Intuitive Machines制造的第一款飛行器的目標(biāo)就是用于登月，這極大地限制了他們進(jìn)行測試的時間。

由于原型構(gòu)建方面存在一定的約束條件，工程仿真成為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵所在。作為Ansys初創(chuàng)公司計(jì)劃的一部分（該計(jì)劃使初創(chuàng)公司能夠以低于標(biāo)價的成本獲得Ansys仿真軟件），Intuitive Machines的工程師使用Ansys Fluent解決主引擎中的液氧/甲烷傳熱難題，這是首次有人將甲烷用作太空推進(jìn)的燃料。此外，他們還使用Ansys Mechanical對所有金屬組件進(jìn)行載荷分析，并盡可能減重，同時在航天飛行的高應(yīng)力條件下保持結(jié)構(gòu)完整性。工程師開展多物理場熱與結(jié)構(gòu)仿真以及先進(jìn)的材料仿真，以確定如何在航天器運(yùn)行過程中和著陸月球表面時所經(jīng)歷的較寬溫度區(qū)間保持電子和低溫系統(tǒng)符合要求。他們近期采用Ansys HFSS軟件，來優(yōu)化與月球著陸器通信的低增益和高增益天線。

Intuitive Machines的Nova-C著陸器將在月球赤道附近著陸

NASA計(jì)劃在2022年完成首次發(fā)射任務(wù)后的十年內(nèi)，每年向月球運(yùn)送兩到三次航天器，為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，Intuitive Machines工程師正設(shè)計(jì)NOVA-C月球著陸器，主要使用復(fù)合材料來減重，并配備液氧/甲烷發(fā)動機(jī)、精確著陸和避險系統(tǒng)，其能夠?qū)?00公斤有效載荷從地球運(yùn)送到月球并在月球表面實(shí)現(xiàn)軟著陸。對于代號為IM-1的首次發(fā)射任務(wù)，NOVA-C將由SpaceX獵鷹9號火箭送入軌道，并于6天后降落在月球赤道稍微偏北的位置。在大部分飛行中，NOVA-C從休斯頓開始便被遠(yuǎn)程控制，但最終的下降與著陸過程將完全自主完成。當(dāng)接收到“發(fā)射(Go)”命令時，NOVA-C會將火箭點(diǎn)火，自動確定最佳著陸點(diǎn)，以確保其不會降落在巖石或隕石坑上，并在目標(biāo)著陸點(diǎn)200米的橢圓范圍內(nèi)著陸。第一次著陸將在白天進(jìn)行，因此導(dǎo)航和著陸只需要視覺攝像機(jī)即可；該公司將為未來可能進(jìn)行的夜間著陸增加激光雷達(dá)傳感器。在月球上的14天里，航天器將在NOVA-C進(jìn)入月球黑夜之前進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵虑虮砻娴臏囟仍谝雇頃抵翗O低水平，以至于飛行器的電子設(shè)備與電池可能無法工作。

第二次發(fā)射任務(wù)代號為IM-2，其航天器是Intuitive Machines的μN(yùn)OVA（微型NOVA）“hopper”，這是一種飛行探測器，可替代月球和火星上一直使用的沙丘漫游車。μN(yùn)OVA飛行器可以飛行至極端環(huán)境，例如月球隕石坑的底部，這對于輪式飛行器的駕駛來說是一大挑戰(zhàn)。IM-2的主要目的是使用NASA的PRIME-1航天器，鉆入寒冷的月球南極表面，以尋找科學(xué)家認(rèn)為可能存在的地下冰。在此過程中，μN(yùn)OVA將從一個隕石坑飛到另一個隕石坑，每一次飛躍高達(dá)幾十碼，檢查從未見過陽光的“永久陰影區(qū)域”，獲取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送回NOVA-C，由后者將數(shù)據(jù)傳輸至地球。

所有電子設(shè)備都有指定的最佳工作溫度范圍。對于這個項(xiàng)目，外太空與月球（沒有大氣層）的真空環(huán)境是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是，NOVA-C需要適應(yīng)在任務(wù)的運(yùn)輸與月球表面階段之間經(jīng)歷的劇烈溫度變化。在運(yùn)輸過程中，著陸器的溫度將非常低，因此加熱器可以使電子元件保持合適溫度。啟動加熱器很簡單，但是當(dāng)在月球表面被陽光照射時，NOVA-C的溫度會升高，Intuitive Machines工程師必須研發(fā)出一種方法來防止電子設(shè)備過熱。

月球上沒有大氣層，熱量無法通過對流進(jìn)行耗散，而且像風(fēng)扇這樣的主動冷卻機(jī)制將會毫無用處，因?yàn)闆]有空氣流動，就無法進(jìn)行冷卻。主要的冷卻機(jī)制是輻射，這種被動機(jī)制即使在真空中也能發(fā)揮作用。材料是被動輻射冷卻的關(guān)鍵所在。Intuitive Machines的工程師正使用Ansys Mechanical研發(fā)一種具有低重量、高導(dǎo)電性和高輻射率（該指標(biāo)可衡量材料以熱輻射形式發(fā)射能量的有效性）的系統(tǒng)，以用于與真空進(jìn)行熱交換。他們正研究用于實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散器和散熱器高導(dǎo)熱性的先進(jìn)材料，以便保持電子產(chǎn)品的冷卻狀態(tài)。此外，他們還仿真了輻射率對航天器上常見的不同多層絕緣結(jié)構(gòu)的影響。通過仿真研究復(fù)合材料層壓材料層的傳熱特性，他們正在嘗試優(yōu)化復(fù)合材料散熱器板等的冷卻特性，以便將電子設(shè)備保持在指定的溫度范圍內(nèi)。

一個值得關(guān)注的方面是航空電子設(shè)備軟件，它負(fù)責(zé)控制任務(wù)的飛行參數(shù)并包含許多集成電路芯片，其中一些芯片會產(chǎn)生大量熱量。工程師可能必須耗散芯片中產(chǎn)生的零點(diǎn)幾瓦到一兩瓦的功率，以便將溫度保持在規(guī)范以內(nèi)。但他們無法在每個芯片上都安裝一個熱傳感器。他們使用Ansys熱仿真技術(shù)繪制鋁箱的溫度，該鋁箱包含了安裝芯片的印刷電路板。通過使用鋁殼表面特定點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，他們可以進(jìn)行熱仿真，以確定芯片本身的溫度。有了這些信息，他們可以添加熱擴(kuò)散器，將多余的熱能傳遞到NOVA-C的底盤，從而將熱量輻射到太空中，或?qū)⑵鋫鲗?dǎo)回著陸器以供重復(fù)使用。

在將Ansys軟件作為標(biāo)準(zhǔn)軟件使用之前，Intuitive Machines的工程師使用來自不同供應(yīng)商的單獨(dú)的熱和機(jī)械仿真解決方案。由于兩種軟件包中的網(wǎng)格布局并不相同，他們不得不花費(fèi)大量時間將熱分析中的溫度映射到結(jié)構(gòu)模型上。由于Ansys熱求解器和結(jié)構(gòu)求解器在相同的幾何結(jié)構(gòu)上一起運(yùn)行，映射工作可以輕松自動完成，因而節(jié)省了時間與資金。

盡可能地減少著陸器的重量對于這項(xiàng)任務(wù)而言至關(guān)重要。著陸器的重量更小，意味著給客戶有效載荷就會留下更大的空間。著陸器每增加一公斤的重量，就會讓Intuitive Machines在丟失的商業(yè)機(jī)會中損失大量利益，因此工程師計(jì)劃使用拓?fù)鋬?yōu)化來減少重量。他們沒有一開始就檢查NOVA-C著陸器的整體架構(gòu)，而是先關(guān)注比如將著陸器連接在一起的插件、配件和接頭等內(nèi)部細(xì)節(jié)。因?yàn)樵谥懫鞯慕ㄔ爝^程中使用了大量的這種部件，在每個零件上節(jié)省一點(diǎn)重量，累加起來就相當(dāng)可觀了。如果工程師使用Ansys Mechanical中的拓?fù)鋬?yōu)化可以將一種特定的緊固件節(jié)省100克的重量，在結(jié)構(gòu)中的20處位置使用了這種緊固件，那么加起來就節(jié)省了2公斤的重量。雖然2公斤可能聽起來不算多，但每公斤約100-200萬美元的有效載荷價格計(jì)算，幾公斤的成本累加起來也相當(dāng)可觀。

為減輕重量，NOVA-C著陸器主要由復(fù)合材料組成。工程師將金屬用于發(fā)動機(jī)和各種連接點(diǎn)，在這些位置使用金屬材料比復(fù)合材料更為合理。在金屬和復(fù)合材料之間的接口，由于材料的熱膨脹特性不同，使其難以在極端溫度下保持接觸，尤其是在主發(fā)動機(jī)的出口噴嘴處。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，工程師正采用熱結(jié)構(gòu)多物理場方法來設(shè)計(jì)出口噴嘴連接。他們通過使用Ansys Fluent估算金屬復(fù)合材料密封件的溫度、氣流、熱傳導(dǎo)和熱載荷，并使用Ansys Mechanical確定這些溫度對金屬和碳基復(fù)合材料膨脹的影響。多物理場仿真技術(shù)可幫助他們了解航天器這一部分的動力學(xué)，并實(shí)現(xiàn)能夠確保噴嘴在所有工作條件下均保持密封的設(shè)計(jì)。

Intuitive Machines工程師認(rèn)為仿真對于該項(xiàng)目的成功至關(guān)重要，因?yàn)樵擁?xiàng)目存在諸多挑戰(zhàn)，且時間也非常緊迫。

對于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、熱和流體動力仿真，他們相信Ansys仿真解決方案能夠在不到兩年的時間內(nèi)，幫助他們將飛行器送上月球。此次成功發(fā)射任務(wù)將使Intuitive Machines成為有史以來第一家實(shí)現(xiàn)登月目標(biāo)的小型私人投資公司。如果其他公司也想贏得這一殊榮，恐怕得抓緊時間運(yùn)籌帷幄了。