本文原載于Ansys Advantage：《Axiom Space Is Using Ansys Simulations To Build The First Commercial Space Station》

歷經(jīng)數(shù)百位宇航員造訪(fǎng)的國(guó)際空間站(ISS)投入使用已有20年了，然而當(dāng)前的預(yù)算只能保障它運(yùn)行到2024年底。隨著美國(guó)宇航局(NASA)敞開(kāi)市場(chǎng)大門(mén)，讓SpaceX和藍(lán)色起源(Blue Origin)等商業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)輸送人員和載荷入軌的新一代火箭推進(jìn)器，由商業(yè)機(jī)構(gòu)來(lái)負(fù)責(zé)空間站的時(shí)機(jī)已趨成熟。

Axiom Space成立于2016年，創(chuàng)始人之一Michael Suffredini于2005-2015年擔(dān)任NASA的國(guó)際空間站項(xiàng)目經(jīng)理；另一位創(chuàng)始人Kam Ghaffarian博士是NASA第二大工程服務(wù)承包商Stinger Ghaffarian Technologies的創(chuàng)始人。2020年初，Axiom Space贏得NASA首個(gè)建造商業(yè)空間站的合同，新空間站最初將對(duì)接國(guó)際空間站前部的節(jié)點(diǎn)艙，太空艙Axiom Hub One將在三年內(nèi)與國(guó)際空間站對(duì)接。他們?cè)诠倬W(wǎng)上展示了一個(gè)發(fā)射倒計(jì)時(shí)。

Axiom空間站內(nèi)部渲染圖

Ansys在發(fā)射倒計(jì)時(shí)期間傾力相助。Axiom Ansys初創(chuàng)企業(yè)計(jì)劃為工程師提供了Ansys Mechanical和Ansys Fluent軟件，助力Axiom應(yīng)對(duì)最為艱巨的結(jié)構(gòu)與流體流挑戰(zhàn)。

Ansys應(yīng)力分析結(jié)果助力首個(gè)Axiom模塊(AXH1)完成設(shè)計(jì)

Axiom首席技術(shù)官M(fèi)att Ondler表示：“作為初創(chuàng)企業(yè)，需要時(shí)刻尋求降低成本的機(jī)會(huì)，因?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)立最初幾年資金總是不足。Ansys初創(chuàng)企業(yè)計(jì)劃顯然是我們的好幫手。”

Axiom工程師采用以氧和甲烷為燃料的創(chuàng)新型推進(jìn)器，為Axiom Hub One與國(guó)際空間站交會(huì)對(duì)接提供動(dòng)力。Axiom Hub One將先搭乘SpaceX或藍(lán)色起源的運(yùn)載火箭進(jìn)入太空，成功進(jìn)入軌道后，利用這款新型推進(jìn)器機(jī)動(dòng)飛行到國(guó)際空間站。

氧-甲烷推進(jìn)器解決了兩大難題：它取代了航天器機(jī)動(dòng)飛行長(zhǎng)期依賴(lài)的劇毒一甲肼燃料，而且還可在整個(gè)飛行任務(wù)期間，通過(guò)一種神奇的方法自己合成甲烷燃料。

Ondler表示：“我們可以利用宇航員呼出的氣體制造火箭燃料。”該方法基于Sabatier反應(yīng)原理。通過(guò)鎳催化劑使氫與宇航員呼出的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生甲烷和水。這一方法已在國(guó)際空間站上經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明有效。

Ondler指出：“研究發(fā)現(xiàn)，大約6名宇航員的呼吸產(chǎn)物就能滿(mǎn)足我們推進(jìn)劑所需的甲烷，這項(xiàng)技術(shù)有長(zhǎng)期的應(yīng)用價(jià)值。”火星上的環(huán)境富含二氧化碳，因此我們可以合成從火星返航的火箭燃料，而不必在前往火星時(shí)攜帶大量燃料。”

但是，從未有人乘坐過(guò)靠氧-甲烷推進(jìn)的航天器，所以Axiom使用Ansys Fluent來(lái)支持團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)工作。推進(jìn)器面臨的一大難題在于，如何實(shí)現(xiàn)效率最大化，這個(gè)指標(biāo)用所謂的“比沖”變量來(lái)衡量。它實(shí)際上是總推力（平均推力乘以總?cè)紵掷m(xù)時(shí)間）除以所消耗的推進(jìn)劑的總重。比沖量越高，完成特定速度變化所耗用的燃料就越少。

實(shí)現(xiàn)最高比沖量的步驟之一，是盡量充分地混合甲烷分子與氧分子。Ondler認(rèn)為，旋動(dòng)和混合這兩種分子的噴嘴固定板是藝術(shù)與科學(xué)的結(jié)合體。他指出：“我們通過(guò)運(yùn)行Ansys Fluent獲得了仿真結(jié)果。我們構(gòu)建解決方案、測(cè)試解決方案，觀察它的效果，然后多次迭代仿真與測(cè)試。推進(jìn)器比沖的最大化能為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)各種優(yōu)勢(shì)。比沖效率越高，燃料箱越小。燃料箱越小，空間站可用空間就越大。依次類(lèi)推，對(duì)空間站的各方面都有益處。”

Axiom Hub在未來(lái)將對(duì)接國(guó)際空間站和Axiom后續(xù)建造的商業(yè)空間站，它構(gòu)成了宇航員的生活與科研的空間。Axiom Hub長(zhǎng)60英尺、直徑15英尺，重量接近6萬(wàn)磅。

Ondler表示：“這些太空艙是大型硬件構(gòu)件。當(dāng)內(nèi)部充壓且外部處于真空狀態(tài)時(shí)，它們會(huì)出現(xiàn)延展、膨脹、彎折等現(xiàn)象。我們使用Ansys Mechanical幫助理解一切相關(guān)特征：比如它是如何彎折、應(yīng)力點(diǎn)在什么位置，我們應(yīng)改進(jìn)哪一處的設(shè)計(jì)等。”

結(jié)構(gòu)載荷將根據(jù)太空艙是否處于地面上、被運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射架、或是承受發(fā)射時(shí)的強(qiáng)力而發(fā)生變化。熱載荷也會(huì)在太空中引起嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，因?yàn)榕擉w向陽(yáng)側(cè)的溫度會(huì)比背陰側(cè)的溫度高數(shù)百度。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，產(chǎn)生的熱脹冷縮足以引起太空艙結(jié)構(gòu)解體或出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象。Ansys Mechanical可以幫助我們避免這種狀況。

Ondler表示：“我們使用Ansys Mechanical和Fluent的體驗(yàn)非常棒，軟件界面易于學(xué)習(xí)且易于使用。Ansys初創(chuàng)企業(yè)計(jì)劃為我們提供了迫切需要的仿真工具。”

Axiom Space當(dāng)前的短期目標(biāo)在于設(shè)計(jì)、制造并發(fā)射這些太空艙與國(guó)際空間站對(duì)接。未來(lái)的某個(gè)時(shí)機(jī)，其終將與國(guó)際空間站分離，成為自主獨(dú)立的空間站，這是首個(gè)完全商業(yè)化的空間站。分離之后，Axiom將繼續(xù)增加太空艙，其中一部分太空艙專(zhuān)為特定的太空制造或科研客戶(hù)設(shè)計(jì)。雖然可能有人質(zhì)疑是否有必要運(yùn)行新空間站，以至功能各異的多個(gè)空間站，但Ondler堅(jiān)信，無(wú)論是在當(dāng)前還是在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，都將需要多個(gè)空間站。

他認(rèn)為：“我們的空間站立竿見(jiàn)影的用途，是在微重力環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并制造在地表不能制造的產(chǎn)品。”他提到了一些已在國(guó)際空間站上探索過(guò)，且有實(shí)際價(jià)值的解決方案：

• 將現(xiàn)有光纖技術(shù)傳輸長(zhǎng)度提高100-1000倍的光纜

• 在微重力下，有可能生物打印出完美視網(wǎng)膜和角膜植入物，然而，由于地表受制于重力的作用，此類(lèi)應(yīng)用在打印中會(huì)發(fā)生變形

• 在地表重力環(huán)境下，某些金屬合金呈現(xiàn)類(lèi)似油和水這樣的分離態(tài)，但在微重力環(huán)境下卻有可能形成渾然一體狀，提供截然不同的金屬特征和功能

• 完美的蛋白質(zhì)晶體有助于提高藥物研究的速度與效率

Ondler總結(jié)道：“屆時(shí)，將形成對(duì)空間站長(zhǎng)期的更強(qiáng)烈、更不可或缺的需求，推動(dòng)人類(lèi)走出地球搖籃。也許是未來(lái)100年，甚至是1000年以后。但從物種生息存續(xù)的意義上看，我們需要放眼更廣闊的宇宙。”

新型空間站的構(gòu)建，將為我們?cè)谇巴浅酱蠛５牡缆飞系於ɑA(chǔ)，而Ansys仿真解決方案將貫徹始終，一路幫助工程師解決最棘手的難題。