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月球任務并使月球成為行星際旅行的發射臺嗎？

來自亞利桑那州立大學(ASU)光度實驗室的一個由本科生和研究生組成的多學科團隊希望他們稱之為VELOS的可配置、多探測器探索系統可以在這一方向上實現巨大飛躍。    

VELOS是可變探月觀測系統(Variable Exploratory Lunar Observation System)的縮寫，是入圍美國宇航局“突破性、創新性和變革性(BIG)理念挑戰賽”決賽的項目之一。此次年度競賽向高校團隊提供資助，鼓勵其開發支持宇航局“阿爾忒彌斯計劃”(Artemis program)的新方法和技術，該計劃的任務是讓人類重返月球。

VELOS系統發射到虛擬現實(VR)環境中的永久陰影區

對于迎接2020年的挑戰賽，學生們研發了技術系統來探索太陽系中最寒冷、最黑暗的地方之一：月球上大部分未知的永久陰影區(PSR)。人類對于PSR內部和周圍的區域知之甚少，因此數據收集非常重要。

VELOS是最終入圍挑戰賽的八個項目之一，它提供了一種在發射器/探測器組合系統中收集數據的方法。其彈射器式發射器總成能夠在預設軌跡上將4個壘球大小、裝有傳感器的探測器發射到PSR以內及周圍100米處（109碼，大致相當于一個足球場的長度）。VELOS可與任何商業航天器集成，即向月球提供航天運載服務。

探測器熱仿真的結果

VELOS的探測器可以容納任何合適的傳感器，這意味著該系統最終可用于任意數量的科學任務。然而，就項目而言，ASU團隊專注于一個特定目標：了解風化層（即PSR中的松散巖石材料）中存在哪些元素。這包括探測可以為持續月球運行甚至人類居住提供水源的冰。

ASU團隊使用Ansys Explicit（Ansys Mechanical功能模塊之一）來驗證VELOS的登月準備情況，包括結構載荷測試、振動測試和墜落測試。Ansys Workbench的瞬態熱分析功能提供了探測器能夠在PSR的超冷環境中可靠運行的時長信息。

PSR位于月球北極和南極地區的隕石坑中，這些區域從未受到陽光直射。那里的溫度最低可以達到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）。兩個地方的最低溫度值都使地球上記錄的最低溫度（184開爾文或-128華氏度）看起來像桑拿。

盡管PSR令人生畏，但似乎它們具有一個對未來深空任務至關重要的屬性：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于科學、太空探索和人類本身來說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射至火星的航天器提供現成的能量儲備。

當然，當前面臨的挑戰是開發出能夠承受惡劣月球條件的PSR探索技術，這更不用說經歷深空旅行的嚴格考驗了。

在最佳情況下，這都是一項艱巨的任務。對于ASU來說，在時間緊湊的日程安排中進行工作，而且在全球疫情肆虐期間許多測試設施臨時關閉，使得仿真任務比平時更加關鍵。

從2020年2月收到挑戰賽資助開始，ASU只有不到一年的時間對VELOS進行設計、概念驗證測試和驗證，并為美國宇航局準備演示。如果沒有快速的設計迭代，就不可能在規定的時限內完成任務。只有高度依賴快速、可訪問的仿真才能實現這一目標。

VELOS探測器的主要功能是收集數據并將其傳輸到發射器。但是，如果其探測器無法承受發射的沖擊、著陸的撞擊，或該地區的極端熱環境，那么這一切都是不可能實現的。

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Jim Bell（火星探測器科學相機的主要研究員）在內的顧問的支持下，該團隊在Ansys Explicit中對炮塔結構完整性、探測器墜落測試和PSR條件的熱響應進行了仿真。

VELOS使用安裝在旋轉炮塔上的預載彈簧以陣列形式發射探測器，從而最大限度地提高數據收集潛力。一旦CLPS著陸器的相機識別到PSR，炮塔便會朝其旋轉，然后依次發射4個探測器。該團隊對炮塔開展了結構與振動分析，以幫助他們了解探測器發射期間對其施加的載荷。這使得結構能夠承受這些力，同時確保發射不會干擾著陸器的敏感設備。

在設計探測器的外部結構時，保護其內部的重要電子設備非常關鍵。探測器的外殼由HDPE制成并覆蓋絕緣層，內部能量吸收材料（一種航空航天級碳泡沫）設計為在撞擊過程中發生可塑性變形但仍能保護傳感器電子設備。為了測試其設計的有效性，ASU選擇了代表最壞情況的墜落測試速度：探測器在沒有任何入射角的情況下，以12.72米/秒的速度撞擊風化層。

第一次仿真比較了探測器從1.67米（5.4英尺）的高度墜落到混凝土表面與沙基表面上。產生的加速度用于對探測器外殼在發射到固體表面時的行為進行結構分析。仿真結果表明，探測器外殼的性能與設計意圖一致。它在最大應力處發生屈服受損變形吸能，為內部電子設備提供剛性保護。

如何確定探測器電子設備在35K的溫度下的壽命，找到一個現成且成本不高的方法是比較困難的。

相反，在使用Ansys Explicit進行瞬態熱仿真過程中，ASU團隊使用液氮冷卻進行了部分真空測試，然后驗證了物理模型，該模型假定初始探測器溫度為36℃ (96.8℉)，環境溫度為-237.85℃ (-396.13℉)。該團隊確定，在失去溫度控制且探測器停止工作之前，探測器的電子設備應該能夠連續工作5個小時。

VELOS物理原型證明，這不僅僅是一個想象的概念。在測試過程中，發射器成功啟動，將探測器在地球重力下發射了超過16.5米（54英尺），這與月球重力下達到預期的100米目標相同。以不同距離和方向發射的兩個探測器保持運行。

探測器撞擊仿真結果

盡管認為商業太空供應商可以采用VELOS概念并非沒有道理，但VELOS的前景如何還不確定。

與此同時，ASU光度實驗室團隊，一個開發全新解決方案來應對世界上一些最迫切挑戰的小組，已經開發出一種創新性、低成本、可靠且可擴展的方法來探索未知環境；然而如果不借助Ansys仿真技術，他們將很難達到這一目標。

有朝一日，他們的系統或許就能幫助科學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常客。