航空航天 | 我们决定重返月球

本文原载于Ansys Advantage：《We Choose To Go Back To The Moon》

Intuitive Machines通过采用多物理场仿真技术，助力无人驾驶飞行器在2022年完成登月任务。

美国宇航局(NASA)计划在首次登月时隔50年后重返月球，因而需要开发一种具有比二十世纪六十年代更为先进技术的航天器，这对工程师提出了挑战。NASA打算先将一些执行任务的商业机器人送上月球，然后再派宇航员重返月球。

NASA为月球运输任务选定了两家商业公司，Intuitive Machines是其中之一。他们通过使用多物理场仿真技术，探究新燃料、复合材料和冷却系统的特性与工作条件，从而有助于在只有极短时间进行设计和测试的情况下，将无人驾驶飞行器着陆到月球表面。

2019年5月31日，Intuitive Machines研发副总裁Tim Crain（右二）与NASA科学任务理事会副署长Thomas Zurbuchen（左二），在马里兰州戈达德太空飞行中心一同探讨该公司的月球着陆器。Intuitive Machines是被选中为Artemis计划的月球表面探索提供首批月球着陆器的三家公司之一。（图片来源：NASA/Aubrey Gemignani）

当美国总统约翰·肯尼迪(John F. Kennedy)在1962年9月12日宣布“我们决定登月”时，他承诺在六十年代末实现该目标。这给了NASA工程师七年多的时间，来攻克将人类送上月球并安全返回地球的诸多挑战。1969年7月，阿波罗11号任务的成功发射不仅实现了肯尼迪的愿景，而且彰显了人类的智慧与勇气。

2019年，当位于德克萨斯州休斯顿的Intuitive Machines赢得了在2021年将5个NASA安全着陆月球运输任务的合同时，他们的时间要更为紧迫，这只有短短两年时间（由于COVID-19疫情的爆发，这些任务现已被迫延迟）。正如Intuitive Machines的创始人之一Steve Altemus所指出的，考虑到迄今为止，登月任务一直是“超级大国的权限”，而且尚未有任何一家公司实现过登月目标，这是一个相当巨大的挑战。由于时间极其紧迫，他们来不及构建和测试多个原型来逐步解决问题。Intuitive Machines制造的第一款飞行器的目标就是用于登月，这极大地限制了他们进行测试的时间。

由于原型构建方面存在一定的约束条件，工程仿真成为了实现目标的关键所在。作为Ansys初创公司计划的一部分（该计划使初创公司能够以低于标价的成本获得Ansys仿真软件），Intuitive Machines的工程师使用Ansys Fluent解决主引擎中的液氧/甲烷传热难题，这是首次有人将甲烷用作太空推进的燃料。此外，他们还使用Ansys Mechanical对所有金属组件进行载荷分析，并尽可能减重，同时在航天飞行的高应力条件下保持结构完整性。工程师开展多物理场热与结构仿真以及先进的材料仿真，以确定如何在航天器运行过程中和着陆月球表面时所经历的较宽温度区间保持电子和低温系统符合要求。他们近期采用Ansys HFSS软件，来优化与月球着陆器通信的低增益和高增益天线。

Intuitive Machines的Nova-C着陆器将在月球赤道附近着陆

NASA计划在2022年完成首次发射任务后的十年内，每年向月球运送两到三次航天器，为了实现该目标，Intuitive Machines工程师正设计NOVA-C月球着陆器，主要使用复合材料来减重，并配备液氧/甲烷发动机、精确着陆和避险系统，其能够将100公斤有效载荷从地球运送到月球并在月球表面实现软着陆。对于代号为IM-1的首次发射任务，NOVA-C将由SpaceX猎鹰9号火箭送入轨道，并于6天后降落在月球赤道稍微偏北的位置。在大部分飞行中，NOVA-C从休斯顿开始便被远程控制，但最终的下降与着陆过程将完全自主完成。当接收到“发射(Go)”命令时，NOVA-C会将火箭点火，自动确定最佳着陆点，以确保其不会降落在岩石或陨石坑上，并在目标着陆点200米的椭圆范围内着陆。第一次着陆将在白天进行，因此导航和着陆只需要视觉摄像机即可；该公司将为未来可能进行的夜间着陆增加激光雷达传感器。在月球上的14天里，航天器将在NOVA-C进入月球黑夜之前进行各种实验，因为月球表面的温度在夜晚会降至极低水平，以至于飞行器的电子设备与电池可能无法工作。

第二次发射任务代号为IM-2，其航天器是Intuitive Machines的µNOVA（微型NOVA）“hopper”，这是一种飞行探测器，可替代月球和火星上一直使用的沙丘漫游车。µNOVA飞行器可以飞行至极端环境，例如月球陨石坑的底部，这对于轮式飞行器的驾驶来说是一大挑战。IM-2的主要目的是使用NASA的PRIME-1航天器，钻入寒冷的月球南极表面，以寻找科学家认为可能存在的地下冰。在此过程中，µNOVA将从一个陨石坑飞到另一个陨石坑，每一次飞跃高达几十码，检查从未见过阳光的“永久阴影区域”，获取数据并将其发送回NOVA-C，由后者将数据传输至地球。

所有电子设备都有指定的最佳工作温度范围。对于这个项目，外太空与月球（没有大气层）的真空环境是一项挑战。另一项挑战是，NOVA-C需要适应在任务的运输与月球表面阶段之间经历的剧烈温度变化。在运输过程中，着陆器的温度将非常低，因此加热器可以使电子元件保持合适温度。启动加热器很简单，但是当在月球表面被阳光照射时，NOVA-C的温度会升高，Intuitive Machines工程师必须研发出一种方法来防止电子设备过热。

月球上没有大气层，热量无法通过对流进行耗散，而且像风扇这样的主动冷却机制将会毫无用处，因为没有空气流动，就无法进行冷却。主要的冷却机制是辐射，这种被动机制即使在真空中也能发挥作用。材料是被动辐射冷却的关键所在。Intuitive Machines的工程师正使用Ansys Mechanical研发一种具有低重量、高导电性和高辐射率（该指标可衡量材料以热辐射形式发射能量的有效性）的系统，以用于与真空进行热交换。他们正研究用于实现热扩散器和散热器高导热性的先进材料，以便保持电子产品的冷却状态。此外，他们还仿真了辐射率对航天器上常见的不同多层绝缘结构的影响。通过仿真研究复合材料层压材料层的传热特性，他们正在尝试优化复合材料散热器板等的冷却特性，以便将电子设备保持在指定的温度范围内。

一个值得关注的方面是航空电子设备软件，它负责控制任务的飞行参数并包含许多集成电路芯片，其中一些芯片会产生大量热量。工程师可能必须耗散芯片中产生的零点几瓦到一两瓦的功率，以便将温度保持在规范以内。但他们无法在每个芯片上都安装一个热传感器。他们使用Ansys热仿真技术绘制铝箱的温度，该铝箱包含了安装芯片的印刷电路板。通过使用铝壳表面特定点的温度数据，他们可以进行热仿真，以确定芯片本身的温度。有了这些信息，他们可以添加热扩散器，将多余的热能传递到NOVA-C的底盘，从而将热量辐射到太空中，或将其传导回着陆器以供重复使用。

在将Ansys软件作为标准软件使用之前，Intuitive Machines的工程师使用来自不同供应商的单独的热和机械仿真解决方案。由于两种软件包中的网格布局并不相同，他们不得不花费大量时间将热分析中的温度映射到结构模型上。由于Ansys热求解器和结构求解器在相同的几何结构上一起运行，映射工作可以轻松自动完成，因而节省了时间与资金。

尽可能地减少着陆器的重量对于这项任务而言至关重要。着陆器的重量更小，意味着给客户有效载荷就会留下更大的空间。着陆器每增加一公斤的重量，就会让Intuitive Machines在丢失的商业机会中损失大量利益，因此工程师计划使用拓扑优化来减少重量。他们没有一开始就检查NOVA-C着陆器的整体架构，而是先关注比如将着陆器连接在一起的插件、配件和接头等内部细节。因为在着陆器的建造过程中使用了大量的这种部件，在每个零件上节省一点重量，累加起来就相当可观了。如果工程师使用Ansys Mechanical中的拓扑优化可以将一种特定的紧固件节省100克的重量，在结构中的20处位置使用了这种紧固件，那么加起来就节省了2公斤的重量。虽然2公斤可能听起来不算多，但每公斤约100-200万美元的有效载荷价格计算，几公斤的成本累加起来也相当可观。

为减轻重量，NOVA-C着陆器主要由复合材料组成。工程师将金属用于发动机和各种连接点，在这些位置使用金属材料比复合材料更为合理。在金属和复合材料之间的接口，由于材料的热膨胀特性不同，使其难以在极端温度下保持接触，尤其是在主发动机的出口喷嘴处。

为了应对这一挑战，工程师正采用热结构多物理场方法来设计出口喷嘴连接。他们通过使用Ansys Fluent估算金属复合材料密封件的温度、气流、热传导和热载荷，并使用Ansys Mechanical确定这些温度对金属和碳基复合材料膨胀的影响。多物理场仿真技术可帮助他们了解航天器这一部分的动力学，并实现能够确保喷嘴在所有工作条件下均保持密封的设计。

Intuitive Machines工程师认为仿真对于该项目的成功至关重要，因为该项目存在诸多挑战，且时间也非常紧迫。

对于关键结构、热和流体动力仿真，他们相信Ansys仿真解决方案能够在不到两年的时间内，帮助他们将飞行器送上月球。此次成功发射任务将使Intuitive Machines成为有史以来第一家实现登月目标的小型私人投资公司。如果其他公司也想赢得这一殊荣，恐怕得抓紧时间运筹帷幄了。