结构与流体仿真 | Axiom Space利用仿真技术建造首个商用空间站

本文原载于Ansys Advantage:《Axiom Space Is Using Ansys Simulations To Build The First Commercial Space Station》

 

结构与流体仿真 | Axiom Space利用仿真技术建造首个商用空间站的图1


 

历经数百位宇航员造访的国际空间站(ISS)投入使用已有20年了,然而当前的预算只能保障它运行到2024年底。随着美国宇航局(NASA)敞开市场大门,让SpaceX和蓝色起源(Blue Origin)等商业机构开发输送人员和载荷入轨的新一代火箭推进器,由商业机构来负责空间站的时机已趋成熟。


Axiom Space成立于2016年,创始人之一Michael Suffredini于2005-2015年担任NASA的国际空间站项目经理;另一位创始人Kam Ghaffarian博士是NASA第二大工程服务承包商Stinger Ghaffarian Technologies的创始人。2020年初,Axiom Space赢得NASA首个建造商业空间站的合同,新空间站最初将对接国际空间站前部的节点舱,太空舱Axiom Hub One将在三年内与国际空间站对接。他们在官网上展示了一个发射倒计时。


结构与流体仿真 | Axiom Space利用仿真技术建造首个商用空间站的图2

Axiom空间站内部渲染图

 

Ansys在发射倒计时期间倾力相助。Axiom Ansys初创企业计划为工程师提供了Ansys Mechanical和Ansys Fluent软件,助力Axiom应对最为艰巨的结构与流体流挑战。


结构与流体仿真 | Axiom Space利用仿真技术建造首个商用空间站的图3

Ansys应力分析结果助力首个Axiom模块(AXH1)完成设计

 

Axiom首席技术官Matt Ondler表示:“作为初创企业,需要时刻寻求降低成本的机会,因为企业创立最初几年资金总是不足。Ansys初创企业计划显然是我们的好帮手。”

 

设计并仿真独特的推进器


Axiom工程师采用以氧和甲烷为燃料的创新型推进器,为Axiom Hub One与国际空间站交会对接提供动力。Axiom Hub One将先搭乘SpaceX或蓝色起源的运载火箭进入太空,成功进入轨道后,利用这款新型推进器机动飞行到国际空间站。


氧-甲烷推进器解决了两大难题:它取代了航天器机动飞行长期依赖的剧毒一甲肼燃料,而且还可在整个飞行任务期间,通过一种神奇的方法自己合成甲烷燃料。


Ondler表示:“我们可以利用宇航员呼出的气体制造火箭燃料。”该方法基于Sabatier反应原理。通过镍催化剂使氢与宇航员呼出的二氧化碳发生反应,产生甲烷和水。这一方法已在国际空间站上经过实验证明有效。

结构与流体仿真 | Axiom Space利用仿真技术建造首个商用空间站的图4


Ondler指出:“研究发现,大约6名宇航员的呼吸产物就能满足我们推进剂所需的甲烷,这项技术有长期的应用价值。”火星上的环境富含二氧化碳,因此我们可以合成从火星返航的火箭燃料,而不必在前往火星时携带大量燃料。”


但是,从未有人乘坐过靠氧-甲烷推进的航天器,所以Axiom使用Ansys Fluent来支持团队的设计工作。推进器面临的一大难题在于,如何实现效率最大化,这个指标用所谓的“比冲”变量来衡量。它实际上是总推力(平均推力乘以总燃烧持续时间)除以所消耗的推进剂的总重。比冲量越高,完成特定速度变化所耗用的燃料就越少。

结构与流体仿真 | Axiom Space利用仿真技术建造首个商用空间站的图5


实现最高比冲量的步骤之一,是尽量充分地混合甲烷分子与氧分子。Ondler认为,旋动和混合这两种分子的喷嘴固定板是艺术与科学的结合体。他指出:“我们通过运行Ansys Fluent获得了仿真结果。我们构建解决方案、测试解决方案,观察它的效果,然后多次迭代仿真与测试。推进器比冲的最大化能为整个系统带来各种优势。比冲效率越高,燃料箱越小。燃料箱越小,空间站可用空间就越大。依次类推,对空间站的各方面都有益处。”

 

空间站结构考量


Axiom Hub在未来将对接国际空间站和Axiom后续建造的商业空间站,它构成了宇航员的生活与科研的空间。Axiom Hub长60英尺、直径15英尺,重量接近6万磅。


Ondler表示:“这些太空舱是大型硬件构件。当内部充压且外部处于真空状态时,它们会出现延展、膨胀、弯折等现象。我们使用Ansys Mechanical帮助理解一切相关特征:比如它是如何弯折、应力点在什么位置,我们应改进哪一处的设计等。”


结构载荷将根据太空舱是否处于地面上、被运输到发射架、或是承受发射时的强力而发生变化。热载荷也会在太空中引起严重的结构问题,因为舱体向阳侧的温度会比背阴侧的温度高数百度。如果设计不当,产生的热胀冷缩足以引起太空舱结构解体或出现屈曲现象。Ansys Mechanical可以帮助我们避免这种状况。


Ondler表示:“我们使用Ansys Mechanical和Fluent的体验非常棒,软件界面易于学习且易于使用。Ansys初创企业计划为我们提供了迫切需要的仿真工具。”

 

私营空间站不可或缺


Axiom Space当前的短期目标在于设计、制造并发射这些太空舱与国际空间站对接。未来的某个时机,其终将与国际空间站分离,成为自主独立的空间站,这是首个完全商业化的空间站。分离之后,Axiom将继续增加太空舱,其中一部分太空舱专为特定的太空制造或科研客户设计。虽然可能有人质疑是否有必要运行新空间站,以至功能各异的多个空间站,但Ondler坚信,无论是在当前还是在遥远的未来,都将需要多个空间站。


他认为:“我们的空间站立竿见影的用途,是在微重力环境下进行实验,并制造在地表不能制造的产品。”他提到了一些已在国际空间站上探索过,且有实际价值的解决方案:

  • 将现有光纤技术传输长度提高100-1000倍的光缆

  • 在微重力下,有可能生物打印出完美视网膜和角膜植入物,然而,由于地表受制于重力的作用,此类应用在打印中会发生变形

  • 在地表重力环境下,某些金属合金呈现类似油和水这样的分离态,但在微重力环境下却有可能形成浑然一体状,提供截然不同的金属特征和功能

  • 完美的蛋白质晶体有助于提高药物研究的速度与效率


Ondler总结道:“届时,将形成对空间站长期的更强烈、更不可或缺的需求,推动人类走出地球摇篮。也许是未来100年,甚至是1000年以后。但从物种生息存续的意义上看,我们需要放眼更广阔的宇宙。”


新型空间站的构建,将为我们在前往星辰大海的道路上奠定基础,而Ansys仿真解决方案将贯彻始终,一路帮助工程师解决最棘手的难题。

 

 



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