我们选择重返月球

直觉机器公司正在使用多物理场模拟来帮助2022年无人驾驶汽车在月球上着陆

Intuitive Machines研发副总裁Tim Crain(右二)与NASA科学任务理事会副局长Thomas Zurbuchen(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。直觉机器公司是被选中为阿耳特弥斯计划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:美国国家航空航天局/奥布里Gemignani

1962年9月12日，美国总统约翰·肯尼迪(John F. Kennedy)宣布“我们选择登上月球”，他将这一目标设定在这十年结束时。这给了美国宇航局的工程师们7年多一点的时间来克服将人类送上月球并安全返回地球所涉及的许多挑战。1969年7月阿波罗11号任务的成功实现了肯尼迪的愿景，证明了人类的聪明才智和勇气。

当德克萨斯州休斯顿的直觉机器公司在2019年赢得了将美国宇航局的五个有效载荷安全着陆在月球上的合同时，他们的时间表要短得多。SpaceX公司通知直觉机器公司，由于独特的任务要求，最早的飞行机会是在2022年第一季度。考虑到登月迄今为止一直是“超级大国的职权范围”，正如直觉机器公司(Intuitive Machines)创始人之一史蒂夫·阿尔特莫斯(Steve Altemus)喜欢指出的那样，没有一家公司做到过过登陆月球，这是一个相当大的挑战。在如此紧迫的时间安排下，他们将无法奢侈地建造和测试多个原型，比如20世纪60年代早期的阿波罗任务，以逐步解决错误。直觉机器公司制造的第一架飞行器将是前往月球的飞行器，这大大限制了他们的测试时间。

原型约束使工程模拟成为实现目标的关键。manbet作为万博Ansys启动程序该软件让初出不久的公司可以以标价的一小部分获得Ansys仿真软件，而直觉机器公司的工程师万博们正在使用万博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燃料。他们也在使用万博Ansys机械对所有金属部件进行载荷分析，并在太空飞行的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模拟和结构模拟，以及先进的材料模拟，以弄清楚如何使电子和低温系统保持在航天器在运输和在月球表面时将经历的广泛温度范围内的温度规格。他们最近收购了万博Ansys基于优化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年初与NASA和商业有效载荷一起在月球赤道附近着陆。这次名为IM-1的任务将标志着有史以来第一次商业登月。

登月任务细节

为了满足NASA在2022年第一次任务后的10年内每年在月球上着陆两到三次的目标，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，能够将130公斤的有效载荷从地球运输到月球表面软着陆。在第一次名为IM-1的任务中，Nova-C将于2022年初由SpaceX猎鹰9号火箭送入轨道，大约6天后在月球赤道附近着陆。在飞行的大部分时间里，Nova-C将在休斯顿进行远程控制，但最后的下降和着陆将完全自主。当收到“启动”命令时，Nova-C将启动自己的发动机，自动确定最佳着陆点，以确保它不会降落在岩石或陨石坑上，并在目标着陆点200米椭圆范围内着陆。第一次着陆将在白天进行，因此导航和着陆只需要视觉摄像机;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进入月球夜晚之前进行各种实验，那里的温度下降到非常低的水平，以至于车辆的电子设备和电池不太可能存活。

第二次任务定于2022年底进行，名为IM-2，将有intuition Machines的µNova (micro-Nova)“料斗”作为有效载荷的一部分，这是一种飞行月球车，是在月球和火星上使用的沙丘车型月球车的替代品。µNova飞行器可以飞到极端环境，比如月球陨石坑底部，这对轮式飞行器来说是一个挑战。IM-2的一个目的是利用美国宇航局的PRIME-1有效载荷钻到寒冷的南极表面，寻找科学家们认为可能存在的地下冰。与此同时，µNova将从一个陨石坑飞到另一个陨石坑，跳跃几十码，检查“永久阴影地区”，这些地区以前从未见过阳光，获取数据并将其发送回N-C传输到地球。

Intuitive Machines的工程师正在使用Ansys Fluent来万博解决推进系统中的液氧/甲烷传热难题。这台900磅推力的发动机每周至少测试一次，测试地点距离休斯顿航天港的直观机器生产设施不到一英里。

真空冷却电子产品

所有电子产品都有一个特定的温度范围，以实现最佳运行。对于这个项目来说，外层空间和月球(没有大气层)的真空构成了一个挑战。另一个将是适应Nova-C在执行任务的过程中和月球表面阶段之间所经历的巨大温度变化。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。激活加热器非常简单。但是，当Nova-C坐在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被烧毁。

月球上没有大气，热量不能通过对流散去，像风扇这样的主动冷却机制将是无用的，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的工程师正在利用Ansys Mechani万博cal开发一种系统，该系统具有低质量、高导电性和太阳吸收率(a)和红外发射率(e)之间的平衡——红外发射率是一种衡量材料吸收和重新发射能量作为热辐射的有效性的指标——用于与太空真空交换热量。他们还模拟了发射率对航天器上常见的不同多层绝缘结构的影响。

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，以使温度保持在规范范围内。但他们不能在每个芯片上都安装热传感器。相反，他们使用Ansys热模拟来绘制万博包含安装芯片的印刷电路板的铝盒的温度。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来确定芯片本身的温度。有了这些信息，他们可以添加散热器，将多余的热能转移到Nova-C的底盘上，要么将热量辐射到太空，要么将热量传导回着陆器重新使用。

在采用Ansys软件作为标准之前，I万博ntuitive Machines的工程师使用了来自不同供应商的独立热和机械模拟解决方案。他们不得不花费大量时间将热分析的温度映射到结构模型上，因为两个软件包中的网格布局不一样。随着Ans万博ys热和结构求解器与相同的几何图形一起工作，映射是容易和自动的，节省他们的时间和金钱。

第二次任务定于2022年底进行，名为IM-2，它的有效载荷将包括直觉机器公司的µNova (micro-Nova)“料斗”，这是一种飞行探测器。

减少新星c的质量

保持着陆器的质量尽可能低是这项任务的关键。着陆器中更小的质量意味着为客户有效载荷提供更多的空间。着陆器每增加一公斤重量，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。他们将首先关注的不是Nova-C的整体架构，而是内部细节，如将着陆器连接在一起的插入件、配件和接头。由于这些部件在着陆器的建造过程中被多次使用，因此每个部件节省的质量很快就会累积起来。如果工程师们可以在Ansys Mechanical中使用拓扑优化，在结构中20个位置使用的特定紧固件万博上节省100克，那么就可以节省2公斤。虽然2公斤可能听起来不多，但按照每公斤约100万至200万美元的有效载荷价格计算，几公斤的重量可能很快就会增加。

模拟的巨大作用

直觉机器的工程师们认为模拟是这个项目成功的关键，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登陆月球的Nova-C，因此模拟其运行是成功的关键。他们发现Ansys启动程序非常万博有用，因为它让他们有机会探索模拟的许多领域，并在做出购买决定之前确定哪些领域对实现他们的目标至关重要。

例如，他们可以用Ansys的3D打印模拟来预测金属零件的翘曲，并修改设计以考虑这种翘曲。万博通过分析软件被多少工程师使用的频率，他们将能够为他们的目的购买正确数量的许可证——不多不少。

他们还使用内部软件来模拟轨道动力学和着陆场景，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仿真解决方案能够提供关键功能，帮助他们在不到两年的时间内到达月球。万博成功将使直觉机器公司成为有史以来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获得这一殊荣，那他们最好快点。

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