照亮一个模糊的目标

VELOS系统在VR环境中进入永久阴影区域

像垒球这样又小又轻的东西能延长月球任务，让月球成为星际旅行的发射台吗?

来自亚利桑那州立大学的20名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之为VELOS的可配置的多探测器探索系统可能会在这个方向上提供巨大的飞跃。

VELOS是变量探索性月球观测系统的缩写，是美国宇航局2020年突破、创新和改变游戏规则(BIG)创意挑战赛的八名决赛选手之一。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，该计划的任务是在2024年让人类重返月球。最有希望的提案——入围者——将获得赠款，将他们的想法变为现实。

在2020年的挑战中，学生们开发了技术系统来探索太阳系中最冷、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PSRs内部和周围地区知之甚少，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，提供了一种在组合发射/探针系统中进行数据收集的方法。其类似弹射器的发射装置能够将4个垒球大小、充满传感器的探测器按照预设的轨迹发射100米(109码，大约是一个足球场的长度)，并绕着PSRs发射。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，ASU团队专注于一个特定的目标:了解风化层中存在哪些元素，即PSRs内部的未固结岩石材料。这包括探测可以为持续的月球行动甚至人类居住提供水源的冰。

ASU团队使用了Ansys Expl万博icit技术万博Ansys机械套件，以验证VELOS的月球就绪性，包括结构负载测试、振动测试和跌落测试万博Ansys Workbench的瞬态热分析能力为探测器在PSRs的超冷环境中能够可靠地工作多长时间提供了见解。

发射装置静力结构仿真结果

在冰上模拟未来

PSRs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。那里的温度可低至35开尔文(-394华氏度)，比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的最低温度(184开尔文或-128华氏度)看起来像桑拿。

尽管PSRs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。

在月球上以冰的形式储存的水可能对科学、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生命，并提供氢和氧，这是火箭燃料的组成部分。这可以为往返于月球和地球之间的宇宙飞船以及前往火星的宇宙飞船提供一个现成的能量储备。

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，在紧凑的时间表上进行工作，以及在全球大流行期间关闭了许多测试设施，这使得模拟比正常情况下更加重要。

从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只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，就不可能满足时间表。而这只有依靠快速、可访问的模拟才能实现。

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装置。但如果探测器无法经受住发射时的冲击、着陆时的冲击或该地区的极端高温环境，这一切都不可能实现。

在顾问的支持下，包括ASU的吉姆·贝尔，火星探测器科学相机的主要研究员，以及Ansys渠道合作伙伴的帮助万博PADT，该团队用Ansys软件模拟了炮塔结构完整性、探头跌落测试和PSR条件下的热响应。万博

发射筒冲击振动仿真结果

VELOS使用安装在旋转炮塔上的预装弹簧，以最大限度地提高数据收集潜力的阵列发射探测器。一旦CLPS着陆器的摄像头识别出PSR，炮塔就会转向它，然后依次发射四个探测器。研究小组对炮塔进行了结构和振动分析，以帮助他们了解探测器发射时炮塔上的载荷。这使得一种设计能够承受这些力，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。探测器的外壳由铝制成，外面覆盖着绝缘毯子，内部的能量吸收材料——航空航天级的碳泡沫——被设计成在撞击时塑性变形，但仍能保护传感器电子设备。为了测试他们设计的有效性，ASU选择了一个代表最坏情况的跌落测试速度:探头以12.72 m/s的速度撞击风化层，没有任何入射角。

第一个模拟比较了将探测器从1.67米(5.4英尺)的高度扔到混凝土表面和沙子表面。由此产生的加速度被用来进行结构分析，分析如果探测器被发射到固体表面上，它会如何表现。仿真结果表明，探头壳体的性能与设计意图一致。它屈服并在最大应力点上持续损坏，同时为内部电子设备提供刚性保护。

探头热模拟结果

在35开尔文的温度下测定探测器电子器件的寿命本来可以在一个设施中完成——如果有现成的设施，而且成本不高的话。

相反，ASU团队在使用Ansys thermal进行瞬态热模拟时，使用液氮进行了部分真空测试，然后验证了物理模型，假设初始探针温度为36℃(96.8华氏度)，环境温度为-237.85℃(-396.13华氏度)。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，然后温度控制就会失去，探测器就会停止工作。

一种新颖的、可扩展的方法

VELOS物理原型证明，它不仅仅是一个一厢情愿的概念。在测试过程中，发射器成功启动，将探测器发送到地球引力超过16.5米(54英尺)的高度，这与月球引力100米的理想高度相同。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，该机会提供了测试飞行和其他NASA项目的机会。

与此同时，习惯于创造新颖解决方案来解决世界上一些最紧迫的挑战的该小组开发了一种创新的、低成本的、可靠的和可扩展的方法来探索未知的环境。如果没有Ansys仿真，他们就无法做到这一点。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访客。