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直到最近，將衛(wèi)星送入軌道的火箭在使用一次后就被完全丟棄了——大多數(shù)發(fā)射仍然經(jīng)常這樣做。在過去的一年里，第一代可重復使用衛(wèi)星發(fā)射已經(jīng)得到驗證，可重復使用發(fā)射的商業(yè)案例也已經(jīng)完成。

作為國防高級研究計劃局 (DARPA) 實驗航天飛機 (XS-1) 計劃的主要承包商，Masten Space Systems 正在開發(fā)一種運載火箭，其設計創(chuàng)新側(cè)重于下一代可重復使用性。DARPA 的 XS-1 計劃旨在通過實現(xiàn)類似飛機的可重用性和飛行率 [1]，將進入太空的時間和進入太空的成本減少幾個數(shù)量級。DARPA XS-1 項目經(jīng)理 Jess Sponable 表示：  “我們認為 10 天內(nèi)飛行 10 次遠遠超出了 SpaceX 或 Blue Origin 目前的能力。”  [2]

 
Masten 的 Xephyr 在上級分離后返回陸地之前的藝術渲染。| 由 Masten Space Systems 提供。

“Masten Space Systems 在 HPC 規(guī)模上大量使用 FINE（現(xiàn)在的 Omnis）套件來設計我們的下一代可重復使用的衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)。我們開發(fā)了一種空氣動力學配置，這在發(fā)射或重返大氣層之前從未做過。第一次風洞測試證實了關鍵設計的各個方面，以及預測與測量結(jié)果的比較。” --Allan Grosvenor，Masten Space Systems 空氣動力學主管。

要求包括將 3,000 磅重物運送到傾斜 90 度的 100 海里參考軌道的每次飛行成本低于 500 萬美元。Masten 工程師需要在各種飛行條件下優(yōu)化助推器設計，包括從海平面上升到上級分離點的高超音速，然后再入和返回飛行。

Cadence CFD 與 Masten 空氣動力學負責人 Allan Grosvenor 及其團隊密切合作，開發(fā)了一個 HPC 驅(qū)動的工作流程，該工作流程支持車輛配置的概念開發(fā)、演變和優(yōu)化，其中考慮了空氣動力學性能、控制、負載和空氣熱加熱，同步軌跡優(yōu)化。

HIFiRE-1 高速轉(zhuǎn)換實驗的研究是用于驗證 Cadence CFD 求解器預測的幾個測試案例之一（圖 1）。HIFiRE-1 實驗（Wadhams 等人，2008 年）是一個錐體-圓柱體-耀斑配置，暴露于在 CUBRC LENS 高超音速隧道中進行的 7.2 馬赫流（Re 1E7）。顯示的數(shù)值結(jié)果可捕獲相關物理并預測壓力和熱通量，尤其是對熱保護系統(tǒng)設計至關重要的峰值加熱。

圖 1. 上圖：HIFiRE-1 實驗裝置。下圖：  Omnis Turbo  CFD 解決方案與實驗數(shù)據(jù) 的比較[4]。| 由 Masten 空氣動力學負責人 Allan Grosvenor 提供

為了說明優(yōu)化過程，我們創(chuàng)建了一個虛構(gòu)的高速飛行器測試用例，其靈感來自 電視連續(xù)劇太空堡壘卡拉狄加的Colonial Viper 戰(zhàn)斗機 。

船舶設計通過 Cadence 的 AutoBlade 建模器進行參數(shù)化控制。一組參數(shù)控制座艙蓋的長度和高度、機翼和垂直安定面角度和后掠角，以及機頭半徑和下垂（圖 2）。廣泛的參數(shù)集可用于更詳細的 3D 造型和機身、升降和控制表面等所有部分的變化。

圖 2. 使用 AutoBlade 控制的參數(shù)化設計變化

設計必然需要考慮整個發(fā)射和返回軌跡。Masten Space Systems 進行的大量有組織的研究包括在幾個關鍵飛行條件下運行掃描，包括飛行角度的變化（例如，俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)）和空氣動力學控制表面角度。這里顯示的例子說明了這些研究的一個子集，重點是重返大氣層。

DoDHPCMP 超級計算機 [3] 被用來進行廣泛的研究，計算管道（圖 3）表示為運行復雜的設計演變過程而執(zhí)行的有組織的工作流。Masten Space Systems 發(fā)現(xiàn)，只有使用 Cadence，他們才能系統(tǒng)地生成高質(zhì)量的網(wǎng)格（流域離散化）和高精度的解決方案。

圖 3. HPC 計算管道。| 由 Masten Space Systems 提供

網(wǎng)格劃分任務使用Omnis Hexpress自動化 ，這是 Cadence 的新一代多核網(wǎng)格劃分工具。它旨在生成復雜幾何體的網(wǎng)格，而不管 CAD 格式和質(zhì)量如何（圖 4）。

圖 4. 標準網(wǎng)格劃分實踐與 Cadence 高效方法的比較。

該工具以完全并行和批處理模式生成完整的六面體和六面體主網(wǎng)格，非常適合應對 Masten 的挑戰(zhàn)。Masten Space Systems 選擇使用生成純六邊形網(wǎng)格的選項。

圖 5. Colonial Viper 模型的 CFD 網(wǎng)格視圖。| 由 Masten Space Systems 提供

CFD 模擬全部使用 Cadence 的Omnis Open-DBS CFD 求解器執(zhí)行  ，然后通過以全自動方式批量運行的腳本進行后處理。完整 3D 解決方案的數(shù)據(jù)挖掘為優(yōu)化過程提供了支持。

以下動畫是基準飛行器與新設計在再入性能和穩(wěn)定性方面的比較。

 

圖 6. 再入矩陣結(jié)果比較：基線（左）與修改（右）設計

圖 7. 性能和穩(wěn)定性圖顯示優(yōu)化設計如何顯著優(yōu)于基線模型。| 由 Masten Space Systems 提供

有關 Cadence 軟件產(chǎn)品和咨詢服務的更多信息，請訪問我們的網(wǎng)站或致電 +1(415)558-8483。

本文中提到

Masten Space Systems 降低進入太空的障礙。他們的使命有助于實現(xiàn)將人類存在擴展到整個太陽系的共同戰(zhàn)略目標。他們的方法：可重用性。他們的技術開發(fā)以進入、下降和著陸技術 (EDL) 為核心，以確保在行星和其他天體上的精確和安全著陸。 了

Cadence CFD 是電子設計領域的關鍵領導者，建立在 30 多年的計算軟件專業(yè)知識和數(shù)十年的計算流體動力學 (CFD) 專業(yè)知識之上。憑借行業(yè)領先的網(wǎng)格劃分方法和強大的求解器和后處理功能，Cadence CFD 為推進、空氣動力學、流體動力學和燃燒等應用提供了全面的工作流程。 

• DARPA 推動實驗航天飛機 XS-1 的新努力 (nasaspaceflight.com)

• DARPA 實驗太空飛機計劃進入下一階段 (spacenews.com)

• 超級計算機降低了太空訪問的成本 (digitaleng.news)

• HIFiRE-1 Mach 7 氣熱加熱預測 (researchgate.net)

文章來源：cadence博客