结构与流体仿真 | Axiom Space利用仿真技术建造首个商用空间站

本文原载于Ansys Advantage：《Axiom Space Is Using Ansys Simulations To Build The First Commercial Space Station》

历经数百位宇航员造访的国际空间站(ISS)投入使用已有20年了，然而当前的预算只能保障它运行到2024年底。随着美国宇航局(NASA)敞开市场大门，让SpaceX和蓝色起源(Blue Origin)等商业机构开发输送人员和载荷入轨的新一代火箭推进器，由商业机构来负责空间站的时机已趋成熟。

Axiom Space成立于2016年，创始人之一Michael Suffredini于2005-2015年担任NASA的国际空间站项目经理；另一位创始人Kam Ghaffarian博士是NASA第二大工程服务承包商Stinger Ghaffarian Technologies的创始人。2020年初，Axiom Space赢得NASA首个建造商业空间站的合同，新空间站最初将对接国际空间站前部的节点舱，太空舱Axiom Hub One将在三年内与国际空间站对接。他们在官网上展示了一个发射倒计时。

Axiom空间站内部渲染图

Ansys在发射倒计时期间倾力相助。Axiom Ansys初创企业计划为工程师提供了Ansys Mechanical和Ansys Fluent软件，助力Axiom应对最为艰巨的结构与流体流挑战。

Ansys应力分析结果助力首个Axiom模块(AXH1)完成设计

Axiom首席技术官Matt Ondler表示：“作为初创企业，需要时刻寻求降低成本的机会，因为企业创立最初几年资金总是不足。Ansys初创企业计划显然是我们的好帮手。”

Axiom工程师采用以氧和甲烷为燃料的创新型推进器，为Axiom Hub One与国际空间站交会对接提供动力。Axiom Hub One将先搭乘SpaceX或蓝色起源的运载火箭进入太空，成功进入轨道后，利用这款新型推进器机动飞行到国际空间站。

氧-甲烷推进器解决了两大难题：它取代了航天器机动飞行长期依赖的剧毒一甲肼燃料，而且还可在整个飞行任务期间，通过一种神奇的方法自己合成甲烷燃料。

Ondler表示：“我们可以利用宇航员呼出的气体制造火箭燃料。”该方法基于Sabatier反应原理。通过镍催化剂使氢与宇航员呼出的二氧化碳发生反应，产生甲烷和水。这一方法已在国际空间站上经过实验证明有效。

Ondler指出：“研究发现，大约6名宇航员的呼吸产物就能满足我们推进剂所需的甲烷，这项技术有长期的应用价值。”火星上的环境富含二氧化碳，因此我们可以合成从火星返航的火箭燃料，而不必在前往火星时携带大量燃料。”

但是，从未有人乘坐过靠氧-甲烷推进的航天器，所以Axiom使用Ansys Fluent来支持团队的设计工作。推进器面临的一大难题在于，如何实现效率最大化，这个指标用所谓的“比冲”变量来衡量。它实际上是总推力（平均推力乘以总燃烧持续时间）除以所消耗的推进剂的总重。比冲量越高，完成特定速度变化所耗用的燃料就越少。

实现最高比冲量的步骤之一，是尽量充分地混合甲烷分子与氧分子。Ondler认为，旋动和混合这两种分子的喷嘴固定板是艺术与科学的结合体。他指出：“我们通过运行Ansys Fluent获得了仿真结果。我们构建解决方案、测试解决方案，观察它的效果，然后多次迭代仿真与测试。推进器比冲的最大化能为整个系统带来各种优势。比冲效率越高，燃料箱越小。燃料箱越小，空间站可用空间就越大。依次类推，对空间站的各方面都有益处。”

Axiom Hub在未来将对接国际空间站和Axiom后续建造的商业空间站，它构成了宇航员的生活与科研的空间。Axiom Hub长60英尺、直径15英尺，重量接近6万磅。

Ondler表示：“这些太空舱是大型硬件构件。当内部充压且外部处于真空状态时，它们会出现延展、膨胀、弯折等现象。我们使用Ansys Mechanical帮助理解一切相关特征：比如它是如何弯折、应力点在什么位置，我们应改进哪一处的设计等。”

结构载荷将根据太空舱是否处于地面上、被运输到发射架、或是承受发射时的强力而发生变化。热载荷也会在太空中引起严重的结构问题，因为舱体向阳侧的温度会比背阴侧的温度高数百度。如果设计不当，产生的热胀冷缩足以引起太空舱结构解体或出现屈曲现象。Ansys Mechanical可以帮助我们避免这种状况。

Ondler表示：“我们使用Ansys Mechanical和Fluent的体验非常棒，软件界面易于学习且易于使用。Ansys初创企业计划为我们提供了迫切需要的仿真工具。”

Axiom Space当前的短期目标在于设计、制造并发射这些太空舱与国际空间站对接。未来的某个时机，其终将与国际空间站分离，成为自主独立的空间站，这是首个完全商业化的空间站。分离之后，Axiom将继续增加太空舱，其中一部分太空舱专为特定的太空制造或科研客户设计。虽然可能有人质疑是否有必要运行新空间站，以至功能各异的多个空间站，但Ondler坚信，无论是在当前还是在遥远的未来，都将需要多个空间站。

他认为：“我们的空间站立竿见影的用途，是在微重力环境下进行实验，并制造在地表不能制造的产品。”他提到了一些已在国际空间站上探索过，且有实际价值的解决方案：

• 将现有光纤技术传输长度提高100-1000倍的光缆

• 在微重力下，有可能生物打印出完美视网膜和角膜植入物，然而，由于地表受制于重力的作用，此类应用在打印中会发生变形

• 在地表重力环境下，某些金属合金呈现类似油和水这样的分离态，但在微重力环境下却有可能形成浑然一体状，提供截然不同的金属特征和功能

• 完美的蛋白质晶体有助于提高药物研究的速度与效率

Ondler总结道：“届时，将形成对空间站长期的更强烈、更不可或缺的需求，推动人类走出地球摇篮。也许是未来100年，甚至是1000年以后。但从物种生息存续的意义上看，我们需要放眼更广阔的宇宙。”

新型空间站的构建，将为我们在前往星辰大海的道路上奠定基础，而Ansys仿真解决方案将贯彻始终，一路帮助工程师解决最棘手的难题。