热仿真 | 月球探索：照亮阴影中的目标

本文原载于Ansys Advantage：《Shedding Light on a Shadowy Target》

像垒球这样小巧而轻量化的物体能够完成更长月球任务并使月球成为行星际旅行的发射台吗？

来自亚利桑那州立大学(ASU)光度实验室的一个由本科生和研究生组成的多学科团队希望他们称之为VELOS的可配置、多探测器探索系统可以在这一方向上实现巨大飞跃。    

VELOS是可变探月观测系统(Variable Exploratory Lunar Observation System)的缩写，是入围美国宇航局“突破性、创新性和变革性(BIG)理念挑战赛”决赛的项目之一。此次年度竞赛向高校团队提供资助，鼓励其开发支持宇航局“阿尔忒弥斯计划”(Artemis program)的新方法和技术，该计划的任务是让人类重返月球。

VELOS系统发射到虚拟现实(VR)环境中的永久阴影区

对于迎接2020年的挑战赛，学生们研发了技术系统来探索太阳系中最寒冷、最黑暗的地方之一：月球上大部分未知的永久阴影区(PSR)。人类对于PSR内部和周围的区域知之甚少，因此数据收集非常重要。

VELOS是最终入围挑战赛的八个项目之一，它提供了一种在发射器/探测器组合系统中收集数据的方法。其弹射器式发射器总成能够在预设轨迹上将4个垒球大小、装有传感器的探测器发射到PSR以内及周围100米处（109码，大致相当于一个足球场的长度）。VELOS可与任何商业航天器集成，即向月球提供航天运载服务。

探测器热仿真的结果

VELOS的探测器可以容纳任何合适的传感器，这意味着该系统最终可用于任意数量的科学任务。然而，就项目而言，ASU团队专注于一个特定目标：了解风化层（即PSR中的松散岩石材料）中存在哪些元素。这包括探测可以为持续月球运行甚至人类居住提供水源的冰。

ASU团队使用Ansys Explicit（Ansys Mechanical功能模块之一）来验证VELOS的登月准备情况，包括结构载荷测试、振动测试和坠落测试。Ansys Workbench的瞬态热分析功能提供了探测器能够在PSR的超冷环境中可靠运行的时长信息。

PSR位于月球北极和南极地区的陨石坑中，这些区域从未受到阳光直射。那里的温度最低可以达到35K（-394华氏度），比冥王星的温度还要低，冥王星的平均温度略低于45K（-378华氏度）。两个地方的最低温度值都使地球上记录的最低温度（184开尔文或-128华氏度）看起来像桑拿。

尽管PSR令人生畏，但似乎它们具有一个对未来深空任务至关重要的属性：冰。

有冰的地方就有水。

在极其干燥的月球上，以冰的形式存在的水对于科学、太空探索和人类本身来说可能具有革命性意义。月球上的水源可以维持人类的生命并提供氢气和氧气，而氢气和氧气是火箭燃料的组成部分。这可以为往返于月球和地球之间的航天器以及那些发射至火星的航天器提供现成的能量储备。

当然，当前面临的挑战是开发出能够承受恶劣月球条件的PSR探索技术，这更不用说经历深空旅行的严格考验了。

在最佳情况下，这都是一项艰巨的任务。对于ASU来说，在时间紧凑的日程安排中进行工作，而且在全球疫情肆虐期间许多测试设施临时关闭，使得仿真任务比平时更加关键。

从2020年2月收到挑战赛资助开始，ASU只有不到一年的时间对VELOS进行设计、概念验证测试和验证，并为美国宇航局准备演示。如果没有快速的设计迭代，就不可能在规定的时限内完成任务。只有高度依赖快速、可访问的仿真才能实现这一目标。

VELOS探测器的主要功能是收集数据并将其传输到发射器。但是，如果其探测器无法承受发射的冲击、着陆的撞击，或该地区的极端热环境，那么这一切都是不可能实现的。

在Ansys渠道合作伙伴PADT的帮助下，以及包括亚利桑那州立大学Jim Bell（火星探测器科学相机的主要研究员）在内的顾问的支持下，该团队在Ansys Explicit中对炮塔结构完整性、探测器坠落测试和PSR条件的热响应进行了仿真。

VELOS使用安装在旋转炮塔上的预载弹簧以阵列形式发射探测器，从而最大限度地提高数据收集潜力。一旦CLPS着陆器的相机识别到PSR，炮塔便会朝其旋转，然后依次发射4个探测器。该团队对炮塔开展了结构与振动分析，以帮助他们了解探测器发射期间对其施加的载荷。这使得结构能够承受这些力，同时确保发射不会干扰着陆器的敏感设备。

在设计探测器的外部结构时，保护其内部的重要电子设备非常关键。探测器的外壳由HDPE制成并覆盖绝缘层，内部能量吸收材料（一种航空航天级碳泡沫）设计为在撞击过程中发生可塑性变形但仍能保护传感器电子设备。为了测试其设计的有效性，ASU选择了代表最坏情况的坠落测试速度：探测器在没有任何入射角的情况下，以12.72米/秒的速度撞击风化层。

第一次仿真比较了探测器从1.67米（5.4英尺）的高度坠落到混凝土表面与沙基表面上。产生的加速度用于对探测器外壳在发射到固体表面时的行为进行结构分析。仿真结果表明，探测器外壳的性能与设计意图一致。它在最大应力处发生屈服受损变形吸能，为内部电子设备提供刚性保护。

如何确定探测器电子设备在35K的温度下的寿命，找到一个现成且成本不高的方法是比较困难的。

相反，在使用Ansys Explicit进行瞬态热仿真过程中，ASU团队使用液氮冷却进行了部分真空测试，然后验证了物理模型，该模型假定初始探测器温度为36℃ (96.8℉)，环境温度为-237.85℃ (-396.13℉)。该团队确定，在失去温度控制且探测器停止工作之前，探测器的电子设备应该能够连续工作5个小时。

VELOS物理原型证明，这不仅仅是一个想象的概念。在测试过程中，发射器成功启动，将探测器在地球重力下发射了超过16.5米（54英尺），这与月球重力下达到预期的100米目标相同。以不同距离和方向发射的两个探测器保持运行。

探测器撞击仿真结果

尽管认为商业太空供应商可以采用VELOS概念并非没有道理，但VELOS的前景如何还不确定。

与此同时，ASU光度实验室团队，一个开发全新解决方案来应对世界上一些最迫切挑战的小组，已经开发出一种创新性、低成本、可靠且可扩展的方法来探索未知环境；然而如果不借助Ansys仿真技术，他们将很难达到这一目标。

有朝一日，他们的系统或许就能帮助科学家在月球深处黑暗的缝隙中找到水，而宇航员从此能够成为那里的常客。