初创公司计划 | Aevum自主运载火箭实现短时间内到达近地轨道

本文原载于Ansys Advantage：《Reaching Low Orbit on Short Notice with Aevum’S Ravn X》

太空任务通常需要很长的准备时间。如果要将有效载荷发射到近地轨道，则必须提前数月或数年预定火箭上的位置。

Aevum公司作为Ansys初创公司计划的成员，计划通过近地轨道自主运输服务来扭转这一局面，这可以让飞机在短短3小时内准备好起飞。

Aevum创始人兼首席执行官Jay Skylus意识到，没有办法快速应对地球上偏远地区发生自然灾害引发的物资需求问题，也没有办法快速部署监视卫星，以更好地了解全球各地军事形势的危险。鉴于这些情况，等待数月甚至数年才能搭乘预定的火箭，难以满足时间要求。

Aevum Ravn X自主运载火箭

显然，进入太空的局限将制约能够挽救数百万生命的技术。由于受到在军队服役的兄弟的激励，Skylus在2016年成立了Aevum，决心拓宽进入太空的道路。4年后，在2020年12月3日，Aevum推出世界上重量最大的无人机系统(UAS)，即Aevum Ravn X自主运载火箭。Aevum已被美国太空部队选中，以执行其“敏捷小型发射操作标准器45”(ASLON 45)任务。ASLON 45是一种用于响应性发射的构建块，要求以45度倾角将多个3U或更大型的美国政府迷你卫星发射到近地轨道。RavnX旨在从接到最初命令到完成发射，用时仅180分钟。

Skylus很早就意识到需要借助仿真技术来设计系统，因此通过Ansys精英渠道合作伙伴(Ansys Elite Channel Partne) Simutech了解到Ansys初创公司计划。

Aevum首席工程师Ovidiu Mihai表示：“Ansys能够生成分析结果，为Ravn X的不同组件合理化安全裕量，这给我们提供了很大的帮助。如果没有Ansys初创公司计划，我们将无法做到这一点。”

Ravn X自主无人机看起来像一架飞机，它可以像飞机一样从1英里长的跑道上起飞，可以在各个位置起飞和着陆，使其具有快速部署的多功能性。

自主无人机只是三部分系统的第一级，其机身下面携带一个两级火箭

但这架自主无人机只是三部分系统的第一级。其机身下面携带一个两级火箭，当无人机在大约60,000英尺的高度达到每小时约650英里的速度时，火箭在空中点火；然后与无人机脱离，并点燃第二级的煤油-液氧发动机。而100%可重复使用的无人机则飞回着陆跑道，停在机库中，准备再次使用。

第二级为火箭加速，接着第三级与第二级分离，第二级携带卫星或其他有效载荷，并启动发动机以达到逃逸速度（超过17,000英里每小时），将有效载荷送入近地轨道。第三级可以包含一个装载264架小型无人机的货舱，用于向地球上的各个地区个性化地运送物资。

Aevum的设计方案从一开始就包括最大限度地降低风险，最大限度地提高飞行效率，不残留任何太空垃圾。

Mihai称：“通过自主操作，避免造成人类生命风险。火箭发动机点火和实际的火箭飞行都发生在远离人类的地方，不同于传统火箭从地面上的发射台发射。”如果在太空中出现问题，火箭上不会有人处于危险之中。

此外，由于发射不需要人类飞行员，Aevum可以充分利用物理定律和最佳效率，其中包括大幅节省燃料。与其他将飞机当作运载工具的水平发射方式不同，Ravn是真正的第一级，为火箭的动量贡献了Delta V。Delta V是初始速度和最终在轨速度之间的差值。

Ravn X目前以亚音速飞行，但在未来计划将以超音速飞行。最后，Aevum决心成为近地轨道环境的管理者。

Mihai表示：“我们的最终目标是Ravn X的每个系统都能重复使用。”

设计多级火箭最初的主要挑战是为不同级确定重量分数。目标是最大化重量分数，即有效载荷重量与载具总重量之比。

Mihai表示：“我们努力优化所有结构组件的纤维布局和纤维方向。我们不能只使用复合材料，也会使用一些金属结构。但即便如此，仍有办法确保我们只携带必要的结构重量。”

在研究复合材料时，Mihai 使用Ansys Mechanical ACP Pre-Post预测失效标准的裕量。

他说：“在Ansys Mechanical中使用Tsai-Wu相互作用常数相当简单。和其他仿真产品相比，使用压力场或其他确定载荷设置外部数据云点更简单。”他还利用仿真来确定Hertzian接触应力，这种局部应力发生在两个弯曲表面相互接触并在施加的载荷下轻微变形时。

Mihai还使用Mechanical设计了Marman夹具，这种夹具使用环形夹具把两个圆柱物体首位相连地固定在一起。通常，Marman夹具由环形带和内部V形槽构成。通过连接在两端的螺栓和螺母对环形带施加张力。Mihai认为设计工作“通常非常繁琐”，但他使用有限元分析，能快速轻松地得出结果。

他说：“我的大部分工作都是开展机械仿真，然后通过手动计算进行检查。如果得到了类似的结果，高层管理人员就更容易说，‘继续构建原型并运行测试’。借助Ansys仿真技术，我得到的结果相关性一直在5%以内。”

从2020年12月在线发布Ravn X，到2021年5月4日获得技术专利，再到2022年计划完成首次商业任务。Mihai和他Aevum的同事在短时间内取得了丰硕成果。但提供快速的周转时间是Ravn X和Ansys仿真的共同目标。