充气空间天线提高瞄准力

By 万博Ansys Advantage Staff

以最有效的方式向太空传输数据——将重量、功率、复杂性和成本降至最低——一直是整个航天工业面临的基本挑战之一。

亚利桑那州图森市的自由落体航空公司——一家从亚利桑那大学衍生出来的技术公司——已经开发出一种新型天线，有望以一种独特的方式应对这一挑战。自由落体利用了一种可充气的结构，这种结构可以装在一个小卫星里，并在太空中展开。与传统天线系统相比，这提供了一个大孔径，可以以非常低的质量和功率传输或接收大量数据。自由落体天线本质上是一个气球，一半透明，一半金属化，可以捕获无线电信号并进行有效的通信。允许反射器采用球形而不是抛物线形状，可以降低部署风险，球体是任何充气物体倾向于达到的自然形状。由此产生的系统有可能以非常低的成本提供数量级的数据速率增长。

自由落体已被工程师广泛使用万博Ansys基于全波电子仿真分析该系统的性能和开发详细的设计，而不需要昂贵和耗时的硬件实验。

该公司通过万博Ansys启动程序使仿真软件以显著折扣提供给初创公司。万博Ansys精英渠道合作伙伴Phoenix Analysis and Design Technologies (PADT)将FreeFall团队引入Ansys Startup Program，从而促成了FreeFall与Ansys的合作。

FreeFall Aerospace联合创始人、总裁兼首席执行官Doug Stetson表示:“如果没有Ansys HFSS这样的工具，我无法想象我们或任何类似的公司是如何做万博到这一点的。“我想在过去，你会建造和测试，测试和测试，但需要花费大量的时间来建造不同类型的天线，测试它们，并调整它们的物理设计以获得你想要的性能。我们现在可以使用HFSS以电子方式完成所有这些工作，这大大节省了时间和金钱，这对我们这样的公司来说是可行的。”

模拟球形天线

球形天线的对称性是自由落体技术的关键。

自由落体射频设计工程师特伦斯·帕特(Terrance Pat)在沃克手下获得博士学位，他说:“这种对称性本质上给了一个球体无限多个方向，你可以瞄准光束。”在不需要物理转向航天器或天线的情况下有效地引导无线电波束的能力是自由落体方法的关键之一。HFSS的快速网格划分和参数调整能力，如相位和幅度，导致天线仿真和设计的高效过程。

“万博Ansys已经使确定合适网格的过程或多或少自动化了。”帕特说。“所以这就像设计天线和定义适当的边界条件一样简单。十有八九，你可以选择默认的网格，这是自动确定的。”

在模拟天线时，帕特说他使用了替代的计算方法来节省时间，比如积分方程(IE)方法，它用积分代替矩阵来求解大量方程，以及基于几何光学的射击-弹跳射线(SBR)方法。

“当你有一个电很大的反射器时，你可以把反射器上的场近似为几何射线，它们几乎是平行的。”帕特说。所以你可以用光线追踪从反射器得到散射场。在这些情况下使用SBR的好处是它是GPU友好的。你可以使用显卡来加速计算，这真的很有帮助。”

在工程和销售中使用HFSS

目前，充气反射球形天线处于原型阶段，有几个感兴趣的潜在客户正在关注公司的进展。Stetson发现HFSS模拟结果是让这些潜在客户了解情况的关键。

斯泰森说:“HFSS不仅用于我们的设计，还用于与客户的沟通。“他们给我们提供了他们想要满足他们需求的无线电波束输出类型的特定规格。我们必须向他们展示我们已经设计了一个符合这些规范的系统，因此HFSS的输出是至关重要的。我们可以以图形的方式向他们展示他们将从我们的设计中得到什么。”

自由落体航空公司目前正在与图森市的林肯研究中心和亚利桑那大学的学生合作开发CatSat任务(以亚利桑那大学野猫队命名)。CatSat是一颗6U的立方体卫星，被NASA立方体卫星发射计划选中，将于2022年年中发射。它旨在展示自由落体的充气球形反射器技术，并进行一系列科学实验，所有这些实验都由亚利桑那大学的学生和教师领导。

“这将是非常令人兴奋的，”斯泰森说。“我们很自豪能成为这个全亚利桑那州太空飞行任务的一部分，并看到我们的技术在行动。”