航天CAE ——最初和最终的科技前沿…

简介

如今，距离 NASA 的阿波罗 11 号首次登陆月球已近50 周年，彼时指令长尼尔•阿姆斯特朗说出了那句名言“这是我个人的一小步，但却是人类的一大步”。我们认为，对 CAE 过去、现在和未来在航天工业上的应用进行回顾（怀旧之情）和展望（大胆想象）是有益的。

我们相信，我们正在接近人类进行太空旅行和太空探索的另一个黄金时代，技术进步将使空间探索民主化、扩大化，并将超越各国政府的界限。这个发展进程迫切需要远超以往的大量 CAE 仿真，并且环境也更富有挑战性，要想预测性能、减轻失败风险、降低昂贵的报废成本，没有哪个解决方案比 CAE 更具成本效益。对于航天工业的 CAE 工程师来说，这是最好的时代！

值得指出的是，随着 20 世纪 50 年代和 60 年代苏联人造卫星空间计划的成功，美国总统约翰•肯尼迪于 1962 年发表了那篇著名的演讲，恳请他的美国同胞在 1970 年之前将人类送上月球并返回。之后 1967 年发生了悲剧，阿波罗 1 号的三名宇航员死在发射台上，这意味着 1969 年的登月计划本身存在着极高的风险。英国广播公司（BBC）去年播出了一个优秀的广播纪录节目（参考文献 2），节目中所述的 1968 年的载人阿波罗 8 号月球轨道飞行任务是阿波罗 11 号登月的重要前奏。宇航员 William Anders 拍摄的那张广为人知的“地球升起”照片（左图）就是在这次任务中诞生的。这张照片在全球掀起了环境运动浪潮，并向我们展示出这颗蓝色星球在广袤漆黑的太阳系中是如此的独一无二、绚丽夺目而又岌岌可危。这次任务是人类首次离开自己母星的轨道，不排除一去不返的风险。阿波罗 8 号绕月采用的抛射轨道极为危险，但为证明载人登月的可能性此举却必不可少。

1968 年圣诞节刚过，任务取得了巨大的成功。正如我们所知，1969 年的登月创造了历史。如果您想查阅理查德•尼克松总统为阿波罗 11 号任务一旦失败而准备的发人深省的演讲，可查看 Space.com 上的文章（参考文献 3），以便了解这一历史性的任务需要冒多大的风险。

“冷战”期间的太空竞赛推动了CAE 的应用

第二次世界大战后，随着“铁幕”（温斯顿•邱吉尔语）降临整个欧洲，全球进入“冷战”时期。与几乎所有战争一样，科学和工程领域都获得了意想不到的红利；明争暗斗的各国政府开始大量采用仿真软件来设计与国防有关的核导弹、进行空间探索，在西方大国与苏联之间展开了旨在争夺全球技术主导权和全球话语权的竞赛。甚至可以这样说，航天工业及其相关的导弹和发动机设计挑战，很可能是 20 世纪中后期 CAE 取得长足进步的最大催化剂之一，并且最终衍生出今天我们所熟知的商业 CAE 产业（见参考文献 4、5、6）。

Richard H. MacNeal 博士（下图中坐于右侧者）于 1963 年与 Robert Schwendler（此照片中未显示）共同创立了 MSC，当时取名为 MacNeal-Schwendler。在他们的带领下，MSC 开发出自己的第一个结构分析软件 SADSAM（利用模拟法数字仿真进行结构分析），并且深度参与了航空航天工业的早期工作，改进了早期的有限元分析技术。

为响应 1965 年美国国家航空航天局（NASA）对通用结构分析程序建议的要求，MacNeal 博士成功地对地面上的实物试验进行仿真，通过计算得到了可以让人类登月的正确答案和正确物理结果，为航空航天业的早期工作做出了巨大贡献（参考文献 1）。MSC Nastran 的核心是 NASA 用来对阿波罗太空计划进行结构分析的代码。1971 年 MSC 软件发布了同一软件的商业版本，据 NASA 估算，自那时起至 2003 年，MSC Nastran 在有限元仿真技术的创建、扩展及传播方面为社会（有形和无形）贡献的经济价值高达 100 亿美元（参考文献 2）。

自尼尔•阿姆斯特朗执行阿波罗 11 号载人登月任务在月球上迈出第一步（1969 年 7 月 20 日）至今已过去近半个世纪，这 50 年来，CAE 始终默默无闻地效力于航天事业，既鲜为人知又无人称道。此外，MSC 软件的工具和解决方案一直是当代航天工业仿真和相关设备设计的先锋——从多体动力学到声学，从 FEA（有限元分析）到 CFD（计算流体动力学），乃至后来的材料分析和新型制造技术（例如增材制造）。MSC 在 CAE 领域拥有无与伦比、独一无二的协同仿真能力，能为过去和现今的航天工业提供各种最准确、最可靠的工程仿真（见图 1）。

图1.MSC软件工具的多物理场CAE应用程序在当今航天工业中的各种应用

太空旅行、重返月球以及行星际探索的新高潮

如今，太空再次成为真正的技术进步前沿，诸如 Elon Musk（SpaceX、Tesla）这样的超级亿万富翁甚至打出了更为奢侈的主张和噱头——让一辆无限循环演奏 David Bowie 曲目的 Tesla 汽车飞向我们所说的外层空间——并且定期举办新闻发布会，公布他的公司下一个让人瞠目结舌的太空壮举。世界上最富有的人——Richard Branson（维珍银河）和 Jeff Bezos（亚马逊蓝色起源）——也加入了这场太空热潮，正在争夺首次由商业航空公司成功地从地球上发射载人亚轨道飞机的桂冠（参考文献 7、8）。闪亮登场的 SpaceX 公司成立于 2003 年，由 Musk 私人所有且利润丰厚，旨在从太空中赚钱。它不仅彻底改变了商业卫星产业，而且提出了野心勃勃的计划：地球同步轨道望远镜、月球极地轨道载人空间站、火星殖民，甚至还在研究月球采矿和智能工厂计划。如今，火星周围的轨道上已经有六颗同步卫星。

中国、以色列及印度等新兴国家也正在对太空进行争夺。近期嫦娥六号登月舱和漫游车于 2018 年 12 月在月球背面着陆就体现了这一点（参考文献 9），私人资助的 SpaceIL 飞行器也已准备于 2019 年 2 月在月球上软着陆（参考文献 10）；与此同时，印度雄心勃勃的 Chandrayaan-2 任务也计划于 2021 年底之前实现载人登月并返回（参考文献了11）。日本也制定了周密的太空计划，其隼鸟 2 号着陆器已于 2019 年 2 月成功地拦降落在龙宫小行星上（参考文献 12）。甚至美国总统唐纳德•特朗普也在 2018 年宣布，计划让美国的太空部队成为美军的第六个军种（参考文献 13）。

我们审查了前几年与航天有关、采用 MSC 软件解决方案的大量项目，并且注意到一些如今已发挥作用的优秀应用。中国的研究人员（参考文献 14）去年成功地将 MSC 的 Adams 多体动力学解算器与 DEM 解决方案的 EDEM 结合到一个协同仿真链路中，建立了一个新型蜘蛛状机器人着陆器模型，该着陆器能应对其他行星上的崎岖地形（图 2）。去年意大利都灵理工大学开展了一项研究，采用 Adams 和 MSC Nastran SOL400 协同仿真解算器对载人空间应用中可充气结构的多体机构进行了分析（参考文献 15）。他们的数值结果展示了含刚性部件和 Kevlar 柔性涂层的可充气载人太空舱的潜力（图 3），并就其最佳的结构性能提出了一些建议。

图2.在MSC Adams中对中国机器人着陆器进行仿真，并与用于月球表面建模的EDEM相连

图3.在Adams和MSC Nastran对意大利柔性膜空间站进行仿真

在过去 10 年里，有许多研究人员使用 MSC 软件的产品来分析月球着陆器和上升飞行器的动力学，图 4 所示为来自 2018 年俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团（RSC Energia）的一个典型研究案例。他们使用 Adams 和 Python 脚本来研究在月球表面着陆和起飞时的动力学。2014 年发表的一篇硕士论文涉及到在荷兰代尔夫特大学的设计研究，其目的在于研究可充气月球温室模块的最优结构设计（参考文献 17）。该生采用有限元分析工具 MSC Nastran 验证了初步设计计算以及与 Kevlar 复合材料的热承载结构性能要求的合规性（图 5）。最后是 2016 年美国麻省理工学院的硕士论文（参考文献 18），采用 SimXpert 和 MSC Nastran 来研究由推进系统和太阳能电池组合而成的 CubeSat 卫星设计能否抑制太阳能电池板以及将其固定就位的铰链的动态变化（图 6）。

图4.在Adams中对俄罗斯月球着陆与上升飞行器进行仿真

图5.荷兰代尔夫特大学提出在MSC Nastran中对可充气月球温室进行仿真

图6.美国麻省理工学院在SimXpert中对CubeSat卫星太阳能电池板进行仿真研究

总结与结论

参考文献

1. “找到正确答案”，作者 D. Gallello、D. Neill，MSC 网站，2017年：https://www.mscsoftware.com/sites/default/files/Getting_Right_Answers.pdf

2. “NASA 的创造传统”，作者 Theron M. Bradley，NASA 总工程师兼 ICB 主席，NASA 发明与贡献委员会年度报告，2003 年：https://www.nasa.gov/pdf/251093main_The_NASA_Heritage_Of_Creativity.pdf

3. “工程设计革命——人员、公司及计算机系统永远改变了工程实践”，作者 D.E. Weisberg：http://www.cadhistory.net/

4. “月球背面的圣诞节”，BBC 广播播客，2018 年 12 月 27 日：https://www.bbc.co.uk/programmes/m0001qn1

5. “如果阿波罗 11 号失败了怎么办？尼克松总统已准备好演讲”，作者 N. T. Redd，2014年7月22日，Space.com 网站：https://www. space.com/26604-apollo-11-failure-nixon-speech.html

6. “MSC 软件的历史”，YouTube 视频， 2018年3月8日：https://www.youtube.com/watch?v=ueFybc6XXmo

7. Richard Branson 的 Virgin Galactic（维珍银河）在维基百科网站上的介绍：https://en. wikipedia.org/wiki/Virgin_Galactic

8. Jeff Bezos 的 Blue Origin（蓝色起源计划）在维基百科网站上的介绍：https://en.wikipedia.org/ wiki/Blue_Origin

9. “嫦娥 4 号着陆成为中国在探月之路上迈出的又一步”，A. Jones，太空新闻网站， 2018年12月28日：https://spacenews.com/change-4-landing-to-be-a-step-along-aroad- of-lunar-exploration-for-china/

10. “以色列私人资助的探月装置发射升空”，O. Liebermann、James Masters，CNN News，2019年2月22日：https://www. cnn.com/2019/02/22/middleeast/israel-moon-spacecraftberesheet- launch-scli-intl/index.html

11. 印度 Chandrayaan-2 登月计划在维基百科网站上的介绍：https://en.wikipedia.org/wiki/Chandrayaan-2

12. “日本的隼鸟 2号在龙宫小行星上成功着陆”，K. Lyons、I. Sample，卫报，2019年 2月 21日：https://www.theguardian.com/science/2019/feb/22/ japans-hayabusa-2-successfully-touches-down-on-ryugu-asteroid

13. “特朗普总统宣布美国军队即将成立可在地球以外发动战争的‘太空军’”，D. Slattery、C. Sommerfeldt，纽约每日新闻, Mar 13, 2018年 3月13日，http: //www. nydailynews.com/news/politics/trump-announces-u-s-militaryspace- force-article-1.3872617

14. “基于离散元和动力学的空间攀爬机器的粘附机制”，X. Hou、Y. Su、S. Jiang、L. Li、T. Chen、L. Sun 及 Z. Deng，机械工程进展，2018 年卷 10（4）1–15

15. “采用柔性组件的可膨胀空间结构的多体模型”，M. Petrolo、G. Governale、D. Catelani及 E. Carrera，http://www.techno-press.org/?journal=aas&subpage=7

16. ISSN：2287-5271，2018 年

17. “用编程和程序方式仿真月球着陆与上升飞行器的着陆动力学”，S.V. Borzykh、V.V. Voronin，空间科学与技术，2018 年第 2 期（21）

18. “月球温室模块的展开结构设计”，V. Vrakking，代尔夫特理工大学硕士论文，荷兰，2014 年

19. “CubeSat 推进系统造成的动态不稳定性”，T. J. Cordeiro, 麻省理工学院硕士论文，美国，2016 年