照亮一个阴暗的目标

VELOS系统进入VR环境中的永久阴影区域

像垒球这样又小又轻的东西能使月球任务延长，并使月球成为行星际旅行的发射台吗?

一个由20名来自亚利桑那州立大学的本科生和研究生组成的多学科团队光度实验室希望他们称为VELOS的可配置多探针探测系统可以在这个方向上提供一个巨大的飞跃。

VELOS是可变探索月球观测系统的缩写，是NASA 2020年突破、创新和改变游戏规则(BIG)创意挑战赛的八个决赛入围者之一。这项年度竞赛鼓励大学团队提出新的方法和技术，以支持航天局的阿尔忒弥斯计划，该计划的任务是到2024年将人类送回月球。最有希望的提案-入围者-将获得赠款，以实现他们的想法。

在2020年的挑战中，学生们开发了技术系统来探索我们太阳系中最冷、最黑暗的地方之一:月球上大部分未知的永久阴影区(PSRs)。人们对psr内部和周围的区域知之甚少，因此数据收集至关重要。

发射器子系统

探测子系统

VELOS获得了2020年创新奖，它提供了一种在组合发射/探测系统中收集数据的方法。它的弹射器式发射装置能够将四个垒球大小、装满传感器的探测器按照预设的轨迹发射100米(109码，大约一个足球场的长度)进入psr并围绕其周围。VELOS集成了任何商业着陆有效载荷服务(CLPS)着陆器，有效载荷交付服务到月球。

VELOS的探测器可以容纳任何合适的传感器，这意味着该系统最终可以用于许多科学任务。然而，出于项目目的，亚利桑那州立大学团队专注于一个特定的目标:了解风化层中存在哪些元素，风化层是psr内部未固结的岩石材料。其中包括探测冰，这可能为持续的月球行动甚至人类居住提供水源。

亚利桑那州立大学团队使用了Ansys万博 Explicit技术，该技术是万博Ansys机械套件，以验证VELOS的登月准备，包括结构负载测试，振动测试和跌落测试万博Ansys Workbench的瞬态热分析功能可以深入了解探针在psr的超冷环境中可靠运行的时间。

发射装置静态结构仿真结果

在冰上模拟未来

psr位于月球南北两极地区的环形山中，这些地区从未暴露在阳光直射下。那里的温度可以低至35开尔文(-394华氏度)，比冥王星更冷，冥王星的平均温度略低于45开尔文(-378华氏度)。两者都使地球上有记录以来的最低温度(184开尔文或-128华氏度)看起来像桑拿房。

尽管psr令人生畏，但它们似乎有一个对未来的深空任务至关重要的属性:冰。

哪里有冰，哪里就有水。

水以冰的形式储存在极其干燥的月球上，这对科学、太空探索和人类本身都是革命性的。月球上的水源可以维持人类的生命，并提供氢和氧，这是火箭燃料的基本组成部分。这可以为往返于月球和地球之间的航天器以及前往火星的航天器提供现成的能量储备。

当然，挑战在于创造出能够承受恶劣月球条件的PSR探测技术，更不用说深空旅行的严酷条件了。

即使在最好的情况下，这也是一项艰巨的任务。对于亚利桑那州立大学来说，在一个压缩的时间表上进行工作，并且在全球大流行期间关闭了许多测试设施，这使得模拟比平时更加重要。

从他们在2020年2月收到挑战拨款开始，亚利桑那州立大学的学生团队有不到一年的时间来设计，进行概念验证测试和验证VELOS，并为NASA准备演示文稿。如果没有快速的设计迭代，就不可能完成时间表。而这一切只有依靠快速、便捷的模拟才能实现。

模拟冲击，冲击和残酷的寒冷

VELOS探测器的主要功能是收集数据并将其传输到发射器。但如果它的探测器无法经受发射的冲击、着陆的冲击或该地区极端的热环境，那么这一切都不可能实现。

在顾问的支持下，包括亚利桑那州立大学的吉姆·贝尔，火星探测器科学相机的首席研究员，以及Ansys渠道合作伙伴的帮助万博PADT，该团队利用Ansys软件模拟了炮塔结构完整性、探头跌落测试以及PSR条件下的热响应。万博

发射装置冲击与振动仿真结果

VELOS使用安装在旋转炮塔上的预加载弹簧，以最大限度地提高数据收集潜力的阵列发射探针。一旦CLPS着陆器的相机识别出PSR，炮塔就会转向它，然后依次发射四个探测器。该团队对转塔进行了结构和振动分析，以帮助他们了解探针发射时所受的载荷。这使得设计能够承受这些力量，同时也确保发射不会干扰着陆器的敏感设备。

在设计探测器的外部时，保护内部重要的电子设备是关键。探测器的外壳是铝制的，上面覆盖着绝缘毯，内部的能量吸收材料是一种航空级的碳泡沫，它们被设计成在撞击时塑性变形，但仍能保护传感器的电子设备。为了测试其设计的有效性，亚利桑那州立大学选择了一个最坏情况的跌落测试速度:在没有任何入射角的情况下，探测器以12.72米/秒的速度撞击风化层。

第一次模拟比较了从1.67米(5.4英尺)的高度将探测器落在混凝土表面和砂基表面上的情况。由此产生的加速度被用来进行结构分析，分析如果探针壳被发射到固体表面上，它将如何表现。仿真结果表明，探头壳的性能符合设计要求。它在最大应力点产生并持续损坏，同时为内部电子设备提供刚性保护。

探头热模拟结果

在35开尔文的温度下确定探测器电子设备的寿命可以在一个设施中完成——如果一个设施很容易获得并且成本不高的话。

相反，亚利桑那州立大学团队使用液氮进行部分真空测试，然后在Ansys thermal的瞬态热模拟中验证物理模型，该模型假设初始探针温度为36℃(96.8 F)，环境温度为-237.85℃(-396.13 F)。万博研究小组确定，探测器的电子设备应该能够连续工作5个小时，直到温度控制失效，探测器停止工作。

一种新颖的、可扩展的方法

VELOS的物理原型证明了它不仅仅是一个一厢情愿的概念。在测试过程中，发射装置成功启动，将探测器送到了16.5米(54英尺)的地球重力下，这与月球重力下的100米相同。该团队还进行了更长时间的热/真空(TVAC)测试。

VELOS的下一步是什么?亚利桑那州立大学光度实验室团队正在通过NASA技术飞行机会申请后续资金，该机会提供测试飞行和其他NASA项目的访问权限。

与此同时，这个习惯于为世界上一些最紧迫的挑战创造新颖解决方案的组织，已经开发出一种创新、低成本、可靠和可扩展的方法来探索未知环境。如果没有Ansys的模拟，他们是无法做到这一点的。万博

谁知道呢?总有一天，该团队的系统可能会帮助科学家在月球深处黑暗的裂缝中找到水，让2024年及以后前往月球的宇航员成为长期游客。