項目介紹
當美國國家宇航局NASA恢復發(fā)送宇航員進入宇宙時，確定了宇航員將搭乘獵戶座太空載人艙返回地球，它的外觀與大家熟悉的阿波羅太空艙相似，當它隨著明亮的橙色和白色降落傘著陸在太平洋時吸引了全世界的目光。NASA指出，獵戶座是專為深入太空執(zhí)行長時間任務而進行的全新設計，具備新的生命支持系統(tǒng)、推進器、熱防護和宇航電子系統(tǒng)。
美國宇航局工程與安全中心（NESC）積極參與此項目，幫助NASA進行增值服務，避免可能潛在的問題，NESC進行獨立物理測試、分析和風險評估，以確保系統(tǒng)安全和任務成功。
挑戰(zhàn)
獵戶座太空艙在水上著陸是一個非常復雜和多變的過程，艙體結構和子結構上承受了復雜的動態(tài)載荷，如熱防護、大氣和水環(huán)境等。為了維持飛船的結構完整性和提升宇航員的安全，需要更清楚地了解在水面著陸時產(chǎn)生的各種動態(tài)載荷。
建立此過程的計算機仿真模型是十分復雜的，特別是與很多仿真輸入變量，如網(wǎng)格密度、邊界條件和接觸面等密切相關，這些變量對仿真結果的準確度會有很大的影響。為了保證仿真可以盡可能準確地反映真實性，物理測試數(shù)據(jù)是十分必要的，可用于有限元模型的相關性分析及對標，一旦工程師肯定了物理模型和虛擬仿真模型具備很好的相關性，他們可以放心地使用有限元模型作為預測工具分析水上著陸過程及優(yōu)化結構設計。
NESC尋求建立一個清晰而詳細的建模方法，可以準確模擬獵戶座太空載人艙水上著陸的整個動態(tài)過程。具體來說，工作的重點是確定仿真的關鍵變量、方法和物理測試數(shù)據(jù)，需要建立一個準確的計算機仿真有限元分析（FEA）模型。利用這樣一個準確的有限元分析模型，計算得到加速度、載荷和軌跡等關鍵數(shù)據(jù)，用來評估和研發(fā)水上著陸過程中宇航員的安全系統(tǒng)，以及預測太空艙結構本身的結構穩(wěn)定性。
NASA制造了一個全尺寸的太空艙實物樣機以完成物理測試。太空艙主要是由鋼鐵及一些加強材料制成，因此被視為剛體來分析。太空艙鋼結構裝備著各種數(shù)據(jù)采集設備，如加速度計、應變儀、慣性測量單元(IMU)和壓力傳感器等。攝影測量裝置也放置在外表面，用來準確地測量太空艙的運行軌跡，高速攝像機置于關鍵位置。
在一個平靜的淡水深湖中，NESC進行了60多次不同撞擊角度和撞擊速度下的物理試驗，并將試驗數(shù)據(jù)提供給仿真團隊用于對有限元模型的校對及相關性分析。
“我們意識到合理的網(wǎng)格尺寸和疏密比率是建模的關鍵，這將決定模型計算結果與物理試驗結果的匹配程度。”NESC太空艙水上著陸仿真團隊成員及Altair ProductDesign工程經(jīng)理 Mahesh Patel說，“我們使用HyperWorks前處理器，即HyperMesh，把太空艙結構建模成一個剛體?！?p align=center>
加速儀的位置（俯視） 考慮水與空氣的壓力 模擬水面撞擊Altair ProductDesign把加速度計置于虛擬模型中，用于復制物理試驗所得的加速度值。另外，為了匹配著陸試驗的條件，模型定義了25英尺的水深和13英尺的空氣高度。當仿真團隊成員得到了物理試驗數(shù)據(jù)，就可以改變輸入?yún)?shù)調(diào)整模型，發(fā)現(xiàn)對加速度值進行對標是最可靠的。然后對接觸面剛度、網(wǎng)格密度、流體壓力分布和邊界條件等參數(shù)進行敏感性分析，這些參數(shù)都與加速度值有關。分析結果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格密度是仿真與試驗結果相關程度影響最大的參數(shù)。
該團隊建立了二十個艙體及流體網(wǎng)格密度均不相同的模型，進行模型網(wǎng)格敏感性研究。發(fā)現(xiàn)當在三個方向上，都把最小的網(wǎng)格尺寸應用于流體網(wǎng)格，而只改變太空艙的網(wǎng)格尺寸，使之大于或等于流體網(wǎng)格尺寸時 ，模型就具有很好的相關性。
網(wǎng)格敏感性研究的結果表明：要取得良好的相關性，載人艙模型網(wǎng)格與流體網(wǎng)格的尺寸比率非常重要。鑒于Altair ProductDesign的努力工作和研究成果，2011年11月1日，NESC在弗吉尼亞州威廉斯堡給太空艙水上著陸建模評估團隊頒發(fā)了團隊成就獎。
由于精誠合作，順利完成了NESC的任務，Altair ProductDesign被稱贊為“為加速研發(fā)進程做出突出貢獻”。每年一次的NESC榮譽獎頒發(fā)給NASA中心的員工、業(yè)界代表和其他利益相關者，以表彰他們在工程上的成就、領導能力以及團隊合作與溝通能力。該獎項正式確認那些為NESC做出了突出貢獻的個人和團隊，如做了示范性的工程項目，在技術上精益求精，或者營造了一個開放的環(huán)境。
“此研究成果對確保正在進行的其他獵戶座太空載人艙項目建模及仿真結果的準確性是非常寶貴的?！?Mahesh Patel說，“此外，如今NASA已經(jīng)掌握了這種久經(jīng)考驗的仿真方法，可以相信，后續(xù)工作的仿真結果定能準確模擬真實世界的物理系統(tǒng)，從而領導著陸安全系統(tǒng)的開發(fā)和性能的改善?！?/div>
當美國國家宇航局NASA恢復發(fā)送宇航員進入宇宙時，確定了宇航員將搭乘獵戶座太空載人艙返回地球，它的外觀與大家熟悉的阿波羅太空艙相似，當它隨著明亮的橙色和白色降落傘著陸在太平洋時吸引了全世界的目光。NASA指出，獵戶座是專為深入太空執(zhí)行長時間任務而進行的全新設計，具備新的生命支持系統(tǒng)、推進器、熱防護和宇航電子系統(tǒng)。
美國宇航局工程與安全中心（NESC）積極參與此項目，幫助NASA進行增值服務，避免可能潛在的問題，NESC進行獨立物理測試、分析和風險評估，以確保系統(tǒng)安全和任務成功。
挑戰(zhàn)
獵戶座太空艙在水上著陸是一個非常復雜和多變的過程，艙體結構和子結構上承受了復雜的動態(tài)載荷，如熱防護、大氣和水環(huán)境等。為了維持飛船的結構完整性和提升宇航員的安全，需要更清楚地了解在水面著陸時產(chǎn)生的各種動態(tài)載荷。
建立此過程的計算機仿真模型是十分復雜的，特別是與很多仿真輸入變量，如網(wǎng)格密度、邊界條件和接觸面等密切相關，這些變量對仿真結果的準確度會有很大的影響。為了保證仿真可以盡可能準確地反映真實性，物理測試數(shù)據(jù)是十分必要的，可用于有限元模型的相關性分析及對標，一旦工程師肯定了物理模型和虛擬仿真模型具備很好的相關性，他們可以放心地使用有限元模型作為預測工具分析水上著陸過程及優(yōu)化結構設計。
NESC尋求建立一個清晰而詳細的建模方法，可以準確模擬獵戶座太空載人艙水上著陸的整個動態(tài)過程。具體來說，工作的重點是確定仿真的關鍵變量、方法和物理測試數(shù)據(jù)，需要建立一個準確的計算機仿真有限元分析（FEA）模型。利用這樣一個準確的有限元分析模型，計算得到加速度、載荷和軌跡等關鍵數(shù)據(jù)，用來評估和研發(fā)水上著陸過程中宇航員的安全系統(tǒng)，以及預測太空艙結構本身的結構穩(wěn)定性。
NASA制造了一個全尺寸的太空艙實物樣機以完成物理測試。太空艙主要是由鋼鐵及一些加強材料制成，因此被視為剛體來分析。太空艙鋼結構裝備著各種數(shù)據(jù)采集設備，如加速度計、應變儀、慣性測量單元(IMU)和壓力傳感器等。攝影測量裝置也放置在外表面，用來準確地測量太空艙的運行軌跡，高速攝像機置于關鍵位置。
在一個平靜的淡水深湖中，NESC進行了60多次不同撞擊角度和撞擊速度下的物理試驗，并將試驗數(shù)據(jù)提供給仿真團隊用于對有限元模型的校對及相關性分析。
“我們意識到合理的網(wǎng)格尺寸和疏密比率是建模的關鍵，這將決定模型計算結果與物理試驗結果的匹配程度。”NESC太空艙水上著陸仿真團隊成員及Altair ProductDesign工程經(jīng)理 Mahesh Patel說，“我們使用HyperWorks前處理器，即HyperMesh，把太空艙結構建模成一個剛體?！?p align=center>
加速儀的位置（俯視） 考慮水與空氣的壓力 模擬水面撞擊Altair ProductDesign把加速度計置于虛擬模型中，用于復制物理試驗所得的加速度值。另外，為了匹配著陸試驗的條件，模型定義了25英尺的水深和13英尺的空氣高度。當仿真團隊成員得到了物理試驗數(shù)據(jù)，就可以改變輸入?yún)?shù)調(diào)整模型，發(fā)現(xiàn)對加速度值進行對標是最可靠的。然后對接觸面剛度、網(wǎng)格密度、流體壓力分布和邊界條件等參數(shù)進行敏感性分析，這些參數(shù)都與加速度值有關。分析結果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格密度是仿真與試驗結果相關程度影響最大的參數(shù)。
該團隊建立了二十個艙體及流體網(wǎng)格密度均不相同的模型，進行模型網(wǎng)格敏感性研究。發(fā)現(xiàn)當在三個方向上，都把最小的網(wǎng)格尺寸應用于流體網(wǎng)格，而只改變太空艙的網(wǎng)格尺寸，使之大于或等于流體網(wǎng)格尺寸時 ，模型就具有很好的相關性。
仿真結果與測試結果比較圖
網(wǎng)格敏感性研究的結果表明：要取得良好的相關性，載人艙模型網(wǎng)格與流體網(wǎng)格的尺寸比率非常重要。鑒于Altair ProductDesign的努力工作和研究成果，2011年11月1日，NESC在弗吉尼亞州威廉斯堡給太空艙水上著陸建模評估團隊頒發(fā)了團隊成就獎。
由于精誠合作，順利完成了NESC的任務，Altair ProductDesign被稱贊為“為加速研發(fā)進程做出突出貢獻”。每年一次的NESC榮譽獎頒發(fā)給NASA中心的員工、業(yè)界代表和其他利益相關者，以表彰他們在工程上的成就、領導能力以及團隊合作與溝通能力。該獎項正式確認那些為NESC做出了突出貢獻的個人和團隊，如做了示范性的工程項目，在技術上精益求精，或者營造了一個開放的環(huán)境。
“此研究成果對確保正在進行的其他獵戶座太空載人艙項目建模及仿真結果的準確性是非常寶貴的?！?Mahesh Patel說，“此外，如今NASA已經(jīng)掌握了這種久經(jīng)考驗的仿真方法，可以相信，后續(xù)工作的仿真結果定能準確模擬真實世界的物理系統(tǒng)，從而領導著陸安全系統(tǒng)的開發(fā)和性能的改善?！?/div>
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