首頁 > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《Shedding Light on a Shadowy Target》
像壘球這樣小巧而輕量化的物體能夠完成更長月球任務(wù)并使月球成為行星際旅行的發(fā)射臺嗎？
來自亞利桑那州立大學(ASU)光度實驗室的一個由本科生和研究生組成的多學科團隊希望他們稱之為VELOS的可配置、多探測器探索系統(tǒng)可以在這一方向上實現(xiàn)巨大飛躍。
發(fā)射器沖擊和振動仿真的結(jié)果
發(fā)射器靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真的結(jié)果
VELOS是可變探月觀測系統(tǒng)(Variable Exploratory Lunar Observation System)的縮寫，是入圍美國宇航局“突破性、創(chuàng)新性和變革性(BIG)理念挑戰(zhàn)賽”決賽的項目之一。此次年度競賽向高校團隊提供資助，鼓勵其開發(fā)支持宇航局“阿爾忒彌斯計劃”(Artemis program)的新方法和技術(shù)，該計劃的任務(wù)是讓人類重返月球。
VELOS系統(tǒng)發(fā)射到虛擬現(xiàn)實(VR)環(huán)境中的永久陰影區(qū)
對于迎接2020年的挑戰(zhàn)賽，學生們研發(fā)了技術(shù)系統(tǒng)來探索太陽系中最寒冷、最黑暗的地方之一：月球上大部分未知的永久陰影區(qū)(PSR)。人類對于PSR內(nèi)部和周圍的區(qū)域知之甚少，因此數(shù)據(jù)收集非常重要。
VELOS是最終入圍挑戰(zhàn)賽的八個項目之一，它提供了一種在發(fā)射器/探測器組合系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)的方法。其彈射器式發(fā)射器總成能夠在預(yù)設(shè)軌跡上將4個壘球大小、裝有傳感器的探測器發(fā)射到PSR以內(nèi)及周圍100米處（109碼，大致相當于一個足球場的長度）。VELOS可與任何商業(yè)航天器集成，即向月球提供航天運載服務(wù)。
探測器熱仿真的結(jié)果
VELOS的探測器可以容納任何合適的傳感器，這意味著該系統(tǒng)最終可用于任意數(shù)量的科學任務(wù)。然而，就項目而言，ASU團隊專注于一個特定目標：了解風化層（即PSR中的松散巖石材料）中存在哪些元素。這包括探測可以為持續(xù)月球運行甚至人類居住提供水源的冰。
探測器子系統(tǒng)
發(fā)射器子系統(tǒng)
ASU團隊使用Ansys Explicit（Ansys Mechanical功能模塊之一）來驗證VELOS的登月準備情況，包括結(jié)構(gòu)載荷測試、振動測試和墜落測試。Ansys Workbench的瞬態(tài)熱分析功能提供了探測器能夠在PSR的超冷環(huán)境中可靠運行的時長信息。
冰上的未來
PSR位于月球北極和南極地區(qū)的隕石坑中，這些區(qū)域從未受到陽光直射。那里的溫度最低可以達到35K（-394華氏度），比冥王星的溫度還要低，冥王星的平均溫度略低于45K（-378華氏度）。兩個地方的最低溫度值都使地球上記錄的最低溫度（184開爾文或-128華氏度）看起來像桑拿。
盡管PSR令人生畏，但似乎它們具有一個對未來深空任務(wù)至關(guān)重要的屬性：冰。
有冰的地方就有水。
在極其干燥的月球上，以冰的形式存在的水對于科學、太空探索和人類本身來說可能具有革命性意義。月球上的水源可以維持人類的生命并提供氫氣和氧氣，而氫氣和氧氣是火箭燃料的組成部分。這可以為往返于月球和地球之間的航天器以及那些發(fā)射至火星的航天器提供現(xiàn)成的能量儲備。
當然，當前面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)出能夠承受惡劣月球條件的PSR探索技術(shù)，這更不用說經(jīng)歷深空旅行的嚴格考驗了。
在最佳情況下，這都是一項艱巨的任務(wù)。對于ASU來說，在時間緊湊的日程安排中進行工作，而且在全球疫情肆虐期間許多測試設(shè)施臨時關(guān)閉，使得仿真任務(wù)比平時更加關(guān)鍵。
從2020年2月收到挑戰(zhàn)賽資助開始，ASU只有不到一年的時間對VELOS進行設(shè)計、概念驗證測試和驗證，并為美國宇航局準備演示。如果沒有快速的設(shè)計迭代，就不可能在規(guī)定的時限內(nèi)完成任務(wù)。只有高度依賴快速、可訪問的仿真才能實現(xiàn)這一目標。
仿真沖擊、撞擊與酷寒
VELOS探測器的主要功能是收集數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)桨l(fā)射器。但是，如果其探測器無法承受發(fā)射的沖擊、著陸的撞擊，或該地區(qū)的極端熱環(huán)境，那么這一切都是不可能實現(xiàn)的。
在Ansys渠道合作伙伴PADT的幫助下，以及包括亞利桑那州立大學Jim Bell（火星探測器科學相機的主要研究員）在內(nèi)的顧問的支持下，該團隊在Ansys Explicit中對炮塔結(jié)構(gòu)完整性、探測器墜落測試和PSR條件的熱響應(yīng)進行了仿真。
VELOS使用安裝在旋轉(zhuǎn)炮塔上的預(yù)載彈簧以陣列形式發(fā)射探測器，從而最大限度地提高數(shù)據(jù)收集潛力。一旦CLPS著陸器的相機識別到PSR，炮塔便會朝其旋轉(zhuǎn)，然后依次發(fā)射4個探測器。該團隊對炮塔開展了結(jié)構(gòu)與振動分析，以幫助他們了解探測器發(fā)射期間對其施加的載荷。這使得結(jié)構(gòu)能夠承受這些力，同時確保發(fā)射不會干擾著陸器的敏感設(shè)備。
在設(shè)計探測器的外部結(jié)構(gòu)時，保護其內(nèi)部的重要電子設(shè)備非常關(guān)鍵。探測器的外殼由HDPE制成并覆蓋絕緣層，內(nèi)部能量吸收材料（一種航空航天級碳泡沫）設(shè)計為在撞擊過程中發(fā)生可塑性變形但仍能保護傳感器電子設(shè)備。為了測試其設(shè)計的有效性，ASU選擇了代表最壞情況的墜落測試速度：探測器在沒有任何入射角的情況下，以12.72米/秒的速度撞擊風化層。
第一次仿真比較了探測器從1.67米（5.4英尺）的高度墜落到混凝土表面與沙基表面上。產(chǎn)生的加速度用于對探測器外殼在發(fā)射到固體表面時的行為進行結(jié)構(gòu)分析。仿真結(jié)果表明，探測器外殼的性能與設(shè)計意圖一致。它在最大應(yīng)力處發(fā)生屈服受損變形吸能，為內(nèi)部電子設(shè)備提供剛性保護。
VR環(huán)境中的VELOS系統(tǒng)和月球著陸器
VR環(huán)境中的月球著陸器
如何確定探測器電子設(shè)備在35K的溫度下的壽命，找到一個現(xiàn)成且成本不高的方法是比較困難的。
相反，在使用Ansys Explicit進行瞬態(tài)熱仿真過程中，ASU團隊使用液氮冷卻進行了部分真空測試，然后驗證了物理模型，該模型假定初始探測器溫度為36℃ (96.8℉)，環(huán)境溫度為-237.85℃ (-396.13℉)。該團隊確定，在失去溫度控制且探測器停止工作之前，探測器的電子設(shè)備應(yīng)該能夠連續(xù)工作5個小時。
一種新穎、可擴展的方法
VELOS物理原型證明，這不僅僅是一個想象的概念。在測試過程中，發(fā)射器成功啟動，將探測器在地球重力下發(fā)射了超過16.5米（54英尺），這與月球重力下達到預(yù)期的100米目標相同。以不同距離和方向發(fā)射的兩個探測器保持運行。
探測器撞擊仿真結(jié)果
盡管認為商業(yè)太空供應(yīng)商可以采用VELOS概念并非沒有道理，但VELOS的前景如何還不確定。
與此同時，ASU光度實驗室團隊，一個開發(fā)全新解決方案來應(yīng)對世界上一些最迫切挑戰(zhàn)的小組，已經(jīng)開發(fā)出一種創(chuàng)新性、低成本、可靠且可擴展的方法來探索未知環(huán)境；然而如果不借助Ansys仿真技術(shù)，他們將很難達到這一目標。
有朝一日，他們的系統(tǒng)或許就能幫助科學家在月球深處黑暗的縫隙中找到水，而宇航員從此能夠成為那里的常客。
（文章來源公眾號：Ansys）
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