HyperWorks助力太空載人艙水上安全著陸

技術支持

2019年10月29日 16:21

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行業：航空航天

挑戰：太空載人艙水上著陸仿真分析

Altair 解決方案：將HyperWorks引入航空傳感器研發流程中，利用 HyperMesh 讀入各種 CAD 模型，建立適應各類仿真分析的有限元模型。

優點：增強了仿真的可信度；提升著陸系統的安全性

背景介紹

當美國國家宇航局 NASA 恢復發送宇航員進入宇宙時，確定了宇航員將搭乘獵戶座太空載人艙返回地球，它的外觀與大家熟悉的阿波羅太空艙相似，當它隨著明亮的橙色和白色降落傘著陸在太平洋時吸引了全世界的目光。NASA 指出，獵戶座是專為深入太空執行長時間任務而進行的全新設計，具備新的生命支持系統、推進器、熱防護和宇航電子系統。

美國宇航局工程與安全中心（NESC）積極參與此項目，幫助NASA進行增值服務，避免可能潛在的問題，NESC進行獨立物理測試、分析和風險評估，以確保系統安全和任務成功。

挑戰

獵戶座太空艙在水上著陸是一個非常復雜和多變的過程，艙體結構和子結構上承受了復雜的動態載荷，如熱防護、大氣和水環境等。為了維持飛船的結構完整性和提升宇航員的安全，需要更清楚地了解在水面著陸時產生的各種動態載荷。

建立此過程的計算機仿真模型是十分復雜的，特別是與很多仿真輸入變量，如網格密度、邊界條件和接觸面等密切相關，這些變量對仿真結果的準確度會有很大的影響。為了保證仿真可以盡可能準確地反映真實性，物理測試數據是十分必要的，可用于有限元模型的相關性分析及對標，一旦工程師肯定了物理模型和虛擬仿真模型具備很好的相關性，他們可以放心地使用有限元模型作為預測工具分析水上著陸過程及優化結構設計。

NESC尋求建立一個清晰而詳細的建模方法，可以準確模擬獵戶座太空載人艙水上著陸的整個動態過程。具體來說，工作的重點是確定仿真的關鍵變量、方法和物理測試數據，需要建立一個準確的計算機仿真有限元分析（FEA）模型。利用這樣一個準確的有限元分析模型，計算得到加速度、載荷和軌跡等關鍵數據，用來評估和研發水上著陸過程中宇航員的安全系統，以及預測太空艙結構本身的結構穩定性。

NASA邀請AltairProductDesign團隊，作為整個NASA評估團隊的重要一員，一起開發這一關鍵仿真模型。

“作為獵戶座著陸測試隊員的導師，我知道這個項目的成功歸功于AltairProductDesign團隊的突出貢獻，他們在建模和仿真方面擁有精確、快速、準確和富有洞察力的優勢，從而對我們的工作起到巨大的促進作用。”

ThomasK.MattinglyII（前登月宇航員）

Planning&Analysis公司太空事業部總監

解決方案

NASA制造了一個全尺寸的太空艙實物樣機以完成物理測試。太空艙主要是由鋼鐵及一些加強材料制成，因此被視為剛體來分析。太空艙鋼結構裝備著各種數據采集設備，如加速度計、應變儀、慣性測量單元(IMU)和壓力傳感器等。攝影測量裝置也放置在外表面，用來準確地測量太空艙的運行軌跡，高速攝像機置于關鍵位置。

在一個平靜的淡水深湖中，NESC進行了60多次不同撞擊角度和撞擊速度下的物理試驗，并將試驗數據提供給仿真團隊用于對有限元模型的校對及相關性分析。

“我們意識到合理的網格尺寸和疏密比率是建模的關鍵，這將決定模型計算結果與物理試驗結果的匹配程度。”NESC太空艙水上著陸仿真團隊成員及AltairProductDesign工程經理MaheshPatel說，“我們使用HyperMesh把太空艙結構建模成一個剛體。”

AltairProductDesign把加速度計置于虛擬模型中，用于復制物理試驗所得的加速度值。為了匹配著陸試驗的條件，模型定義了25英尺的水深和13英尺的空氣高度。根據物理試驗數據改變輸入參數調整模型，發現對加速度值進行對標是最可靠的。然后對接觸面剛度、網格密度、流體壓力分布和邊界條件等參數進行敏感性分析，這些參數都與加速度值有關。分析結果發現，網格密度是仿真與試驗結果相關程度影響最大的參數。

該團隊建立了二十個艙體及流體網格密度均不相同的模型，進行模型網格敏感性研究。發現當在三個方向上，都把最小的網格尺寸應用于流體網格，而只改變太空艙的網格尺寸，使之大于或等于流體網格尺寸時，模型就具有很好的相關性。