火箭吸引人的外觀與當它們升空時，會產生令人印象深刻的噪音和洶湧的雲層，是萬眾矚目的焦點，是所有人眼中的主角。但是，一旦他們進入太空，將酬載推離重力影響範圍之外，那就必須由真正的專業人士接管的時候。

 

是的，這裡要提到的正是制動器。這些小型機械設備的銷釘向前彈起，可以從火箭的酬載艙發射這些現代立方衛星。

 

此時，你可能會懷疑，但想一想：在正確的時間，制動器發出咔嗒聲，立方衛星從火箭中彈出到它的預定位置。另一個制動器輕敲立方衛星本身，為這顆迷你衛星提供動力的太陽能板像花朵一樣展開並綻放，成為一個比折疊在火箭酬載艙中時大許多倍的吸光面板。如果沒有制動器，這些衛星將只是放在火箭內，發揮不了任何作用。

 

DCUBED 在部署前的立方衛星網格模型

 

因此，這是一個有趣的問題：考慮到制動器的適當物理特性對於整個衛星發射計畫的成功至關重要，工程團隊如何確保制動器在彈出時能夠正常運作？人們可以建造一個展開的太陽能或天線陣列的原型，但如何驗證該設計是否可以在沒有重力且溫度可能在 -100°C 到 +120°C的環境中正常運作？

 

為了解決這類問題，德國航太公司 DCUBED 的工程師依靠 Ansys 軟體來模擬該公司生產的制動器和其他可在太空部署的衛星組件特性，無需離開地面即可獲得最佳化和確保產品性能所需的關鍵。作為 Ansys 新創計劃的成員，該公司能夠以優惠的價格使用 Ansys 多物理場模擬軟體和高效能運算 (HPC) 。

 

新太空計劃

 

DCUBED 是德國工業聯邦協會（Bundesverband der Deutschen Industrie eV 或 BDI）新太空計劃的一部分，該計劃旨在將太空旅行商業化，並與傳統經濟串聯起來。因為早期的發展成果而促使大型衛星星系的組成是由非常小的衛星或「立方衛星」，這些衛星像網路一樣一起工作來蒐集和傳遞資料。這些衛星星系可以為偏遠地區提供網路服務；為自動駕駛車輛提供即時數據；將天氣和農作物資訊傳輸到遙遠的農業社區；並為各行各業執行進多其他任務。

 

但將這些物體送入太空是一項挑戰。

 

DCUBED 創辦人兼執行長 Thomas Sinn 博士表示：「火箭中沒有太多空間，因此將結構體送入太空的公司需要一種方法以非常緊湊的方式包裝它們，然後將它們在太空展開成更大的結構。」

 

這就是 DCUBED 的制動器和可展開結構發揮作用的地方。

 

「例如，在創建太陽能陣列時，」DCUBED 分析主管 Thomas Lund 解釋，「DCUBED 採用模組化方法。客戶可以告訴我們功率、電流、電壓以及陣列必須延展的區域。這個方法可以告訴我們需要避開的區域，就可以使用現成的制動器去設計陣列再進行分析，確保有按照預期地展開和執行，並快速地交付給客戶端。」

 

模擬展開陣列中速度場

 

DCUBED 使用Ansys Mechanical提出符合客戶規格的設計方案。然後，為了確保衛星陣列能像預期一樣展開並吸收收輻射量，他們使用Ansys LS-DYNA，這是一種針對模擬材料對短期大量載荷反應的設計模擬工具。

 

「LS-DYNA 是唯一可以執行涉及非常大變形的高度非線性的模擬求解器，這正是我們在研究充氣空間結構時所需要的，」Sinn 說。 「當我們在開發制動器後開始研究可在太空部署的設備時，很明顯 LS-DYNA 是符合我們開發各種設備的理想工具。」

 

解決太空中的多物理場問題

 

DCUBED 不斷更新的創意為客戶設計可在太空部署的產品。團隊遵循由構想/設計/啟動/操作的流程，其中工程師須構想出滿足客戶需求的解決方案，並使用Mechanical提出設計，然後根據這個標準測試設計。

 

「大多數時候，你都會遇到失敗，」隆德指出，「所以你會回到原本的概念並提出一個新的設計。」最終，設計測試符合概念標準，工程師還是會繼續設計並進行更多的測試，以確保這個設計是否如預期的運作。

 

「因為我們的原型設計需要進行大量、快速製作，所以通常是使用3D 列印機，」Lund 說，「但沒有任何人有時間或金錢來將每一種設計真的建造出來，即使你可以，產出的物體是否能在太空中如預期地運作才會是真正的考驗。在太空中放置原型非常昂貴，而且你在地球上不可能以正確的邊界條件進行原型設計，因此你就必須使用分析軟體。」

 

DCUBED 陣列幾乎完全展開時的網格模型

 

DCUBED 團隊使用 LS-DYNA 來模擬他們的設計在太空中在遇到的狀況時的反應。 LS-DYNA 提供穩態和暫態模擬的靈活性。穩態模擬有助於團隊了解設計在特定時間點的行為，而暫態模擬則可以深入了解可部署裝置在火箭及其酬載將遇到的不同條件下隨時間的變化行為。

 

LS-DYNA的暫態模擬，使 Sinn 博士的團隊能夠考慮火箭在任何時候相對於太陽光的向量和地球陰影的位置。如果當火箭處於地球陰影中時，制動器將展開裝置從酬載艙中推出，則太空溫度可能為 -100°C。但不久之後，當可展開裝置直接受到太陽光線照射時，溫度可能會升至 +120°C。當結構體遇到這些變化很大的溫度時，它會根據所涉及的材料而膨脹或收縮。這將對結構的穩定性和物理特性產生影響。 

 

從方程式中移除重力項，會造成環境複雜度更難以預測。歐洲太空標準化合作組織(ECSS) 和歐洲太空總署(ESA) 定訂了太空環境條件的標準，這些標準可以在LS-DYNA 中進行參數化- 致動器或可展開結構中使用的材料的詳細資訊也可以進行參數化。

 

「太空確實會帶來多物理場問題，」Lund 說，「您需要同時進行多個模擬才能獲得一定程度的理解。當你使用Ansys 的LS-DYNA 中同時具有熱和結構組合求解器時，你可以全面了解可部署裝置在複雜環境中的執行情況。這對我們來說是一個巨大的優勢。」

 

「我們進入這個行業是因為我們熱愛航太工業以及航太為世界帶來的好處，」辛恩說。 「我們希望達到更多這樣的目標。對我們來說，一切都是為了幫助我們的客戶達成他們的目標。模擬使我們能夠在各種條件下測試我們的制動器和可部署設備，使我們能夠提供在盡可能廣泛的條件範圍下可靠的產品。這使我們的客戶能夠靈活地在他們想要的時間和方式部署他們的產品，以實現他們的目標。」

 

 

 

資料來源: Ansys Blog