我们选择了重返月球

直觉机器公司正在使用多物理场模拟来帮助无人驾驶飞行器在2022年登陆月球

直觉机器公司研发副总裁蒂姆·克雷恩(右二)与美国宇航局科学任务理事会副局长托马斯·祖布臣(左二)在马里兰州戈达德太空飞行中心谈论该公司的月球着陆器。直观机器公司是被选中为阿尔忒弥斯计划的月球表面探测提供首批月球着陆器的三家公司之一。图片来源:NASA/Aubrey Gemignani

1962年9月12日，当美国总统约翰·f·肯尼迪宣布“我们选择登月”时，他把这个目标设定为这个十年的结束。这给了NASA的工程师们7年多一点的时间来克服将人类送上月球并让他们安全返回地球的诸多挑战。1969年7月阿波罗11号任务的成功实现了肯尼迪的愿景，成为人类智慧和勇气的证明。

当德克萨斯州休斯顿的直觉机器公司在2019年赢得合同，将美国宇航局的五个有效载荷安全降落在月球上时，他们的时间表要短得多。SpaceX告诉Intuitive Machines，由于独特的任务要求，最早的飞行机会是在2022年第一季度。正如Intuitive Machines的创始人之一史蒂夫·阿尔特莫斯(Steve Altemus)喜欢指出的那样，到目前为止，登月一直是“超级大国的职权范围”，没有一家公司做到了这一点过登陆月球，这是一个相当大的挑战。由于时间紧迫，他们不可能像20世纪60年代早期的阿波罗任务那样，建造和测试多个原型来逐步解决问题。直觉机器公司制造的第一架飞行器将飞往月球，这大大限制了他们的测试时间。

原型的约束使得工程仿真成为实现这一目标的关键。作为Ansys启动程序直观机器公司的工程师们正在使用的是Ansys的软件，该软件可以让羽翼未丰的公司以低于标价的价格获得Ansys的仿真软件Ansys流利解决推进系统中液氧/甲烷传热难题。这是第一次有人使用甲烷作为太空推进的燃料。他们也在使用Ansys机械对所有金属部件进行载荷分析，并在高应力条件下尽可能减少质量，同时保持结构完整性。工程师们正在进行多物理场热学和结构模拟，以及先进的材料模拟，以弄清楚如何在航天器在运输和停留在月球表面时将经历的宽温度范围内保持电子和低温系统的温度规格。他们最近收购了Ansys基于优化将用于与月球着陆器通信的高增益天线。

直觉机器公司的Nova-C将于2022年初带着NASA和商业有效载荷降落在月球赤道附近。这次名为IM-1的任务将标志着人类首次商业登月。

登月任务详情

为了实现NASA的目标，即在2022年的第一次任务之后，在10年内每年将有效载荷降落在月球上两到三次，直觉机器公司的工程师正在设计Nova-C月球着陆器，主要使用复合材料来减轻重量，配备液氧/甲烷发动机，精确着陆和危险规避系统，并能够将130公斤的有效载荷从地球运送到月球表面进行软着陆。在第一次名为IM-1的任务中，Nova-C将在2022年初由SpaceX的猎鹰9号火箭送入轨道，大约六天后降落在月球赤道附近。在飞行的大部分时间里，Nova-C将从休斯顿远程控制，但最后的下降和着陆将完全自主。当收到“发射”命令时，Nova-C将启动自己的发动机，自动确定最佳着陆点，以确保它不会落在岩石或陨石坑上，并在目标着陆点200米的椭圆范围内着陆。第一次着陆将在白天进行，因此导航和着陆只需要可视摄像机;激光雷达传感器将用于未来可能的夜间着陆。在月球上的13.5天里，有效载荷将在Nova-C进入月球夜之前进行各种实验，因为月球夜的温度会下降到很低的水平，飞行器的电子设备和电池不太可能存活。

第二次任务计划于2022年底进行，名为IM-2，其有效载荷的一部分将是直觉机器公司的微新星(micro-Nova)“料斗”，这是一种飞行漫游者，作为替代在月球和火星上使用的沙丘车型漫游者而开发的。微新星飞行器可以飞到极端环境，比如月球环形山的底部，这对轮式飞行器来说是一个挑战。IM-2的一个目的是利用NASA的PRIME-1有效载荷钻到寒冷的南极表面，寻找科学家认为可能存在的地下冰。与此同时，微新星将从一个陨石坑飞到另一个陨石坑，每跳几十码，检查“永久阴影区域”，这些区域以前从未见过阳光，收集数据并将其发送回N-C以传输到地球。

Intuitive Machines的工程师正在使用Ansys Fluent解决推进系统中的液氧/甲烷传热挑战。推力900磅的发动机每周至少测试一次，距离休斯敦航天港直觉机器生产设施不到一英里。

在真空中冷却电子设备

所有电子产品都有一个特定的温度范围，以实现最佳操作。对于这个项目来说，外层空间的真空和月球(没有大气层)构成了一个挑战。另一个是适应Nova-C在飞行中和月球表面阶段之间的巨大温度变化。在运输过程中，着陆器将非常寒冷，因此需要加热器来保持电子元件的温度。启动加热器很简单。但是，当Nova-C处于月球表面的阳光下时，它会变得很热，直觉机器公司的工程师必须找到一种方法来防止电子设备燃烧。

由于月球上没有大气层，热量不能通过对流消散，像风扇这样的主动冷却机制也没用，因为没有空气可以移动来冷却。主要的冷却机制是辐射，这是一种即使在真空中也能工作的被动机制。材料是被动辐射冷却的关键。Intuitive Machines的工程师正在使用Ansys Mechanical开发一种系统，该系统具有低质量，高导电性和太阳能吸收率(a)和红外发射率(e)的平衡-一种测量材料吸收和再发射能量作为热辐射的有效性-与空间真空交换热量。他们还模拟了发射率对航天器上常见的不同多层隔热结构的影响。

一个值得关注的领域是航空电子设备包，它控制着任务的飞行参数，包含许多集成电路芯片，其中一些会产生大量的热量。工程师们可能不得不从芯片上消耗零点几瓦到一两瓦的功率，以保持温度在规定范围内。但他们不能在每个芯片上都放一个热传感器。相反，他们使用Ansys热模拟来绘制铝盒的温度图，铝盒包含安装芯片的印刷电路板。通过使用铝外壳表面特定点的温度数据，他们可以进行热模拟以确定芯片本身的温度。有了这些信息，他们就可以增加散热器，将多余的热能传递到Nova-C的底盘，要么将热量辐射到太空，要么将其带回着陆器重新利用。

在采用Ansys软件作为标准之前，Intuitive Machines的工程师使用来自不同供应商的单独的热仿真和机械仿真解决方案。他们不得不花很多时间将温度从热分析映射到结构模型上，因为两个软件包中的网格布局不一样。Ansys热和结构求解器与相同的几何形状一起工作，映射是简单和自动的，节省了他们的时间和金钱。

第二次任务计划于2022年底进行，名为IM-2，其有效载荷的一部分将是直觉机器公司的微新星(micro-Nova)“漏斗”，这是一个飞行漫游车。

降低新星c的质量

尽可能降低着陆器的质量是这次任务的关键。着陆器的质量减少意味着为客户提供更多的有效载荷空间。着陆器每增加一公斤，直觉机器公司就会损失大量的商业机会，因此工程师们计划使用拓扑优化来减少质量。他们将首先关注Nova-C的整体结构，而不是内部细节，比如将着陆器连接在一起的插入物、配件和接头。由于这些部件在着陆器的建造过程中使用了很多次，所以每个部件上节省的一点质量很快就会累积起来。如果工程师们可以利用Ansys机械公司的拓扑优化，在一个特定的紧固件上节省100克，在结构的20个地方使用，那就是节省2公斤。虽然2公斤听起来不多，但估计每公斤的有效载荷价格约为100万至200万美元，几公斤的重量很快就会增加。

模拟的重要作用

Intuitive Machines的工程师认为仿真对于这个项目的成功至关重要，因为它有许多挑战和紧迫的截止日期。毕竟，他们只有一次机会建造将降落在月球上的Nova-C，所以模拟它的运行是成功的关键。他们发现Ansys Startup Program非常有帮助，因为它让他们有机会探索许多模拟领域，并在做出购买决定之前确定哪些领域对实现目标至关重要。

例如，他们能够使用Ansys的3D打印模拟进行实验，以预测金属零件的翘曲，并修改设计以考虑这种翘曲。通过分析软件被多少工程师使用的频率，他们将能够为自己的目的购买合适数量的许可证——不多也不少。

他们还使用内部软件来运行轨道动力学和着陆场景的模拟，以及他们的视觉导航系统。对于关键的结构、热和流体流动模拟，他们相信Ansys仿真解决方案可以提供关键的功能，帮助他们在不到两年的时间内到达月球。如果成功，直觉机器公司将成为第一家登陆月球的小型私人投资公司。如果有人想抢在他们前面，他们最好快点。

了解更多有关Ansys启动程序．