给太空竞赛 降降温

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给太空竞赛 降降温

耦合多物理场仿真为SpaceX每次发射节省数十万美元的有效载荷成本。

作者：Michael Colonno，美国加州SpaceX公司首席空气动力学工程师。

太空探索技术(SpaceX)公司是一家由企业家Elon Musk创办的私人火箭公司，目前正在从头开始研发其“猎鹰”系列运载火箭。SpaceX的目标是通过推出一系列运载火箭，最终其能将空间发射成本降低十倍，以改变既有的太空飞行模式。由于首个运载火箭的设计人员完全是在21世纪开展研发工作的，猎鹰1号的工程师有机会充分利用最先进的设计与分析技术。

工程设计团队关注的领域之一是绝热材料的使用数量，它们可用于保护有效载荷和敏感的内部设备，以免受高速大气层内飞行时所生成的热量的影响。工程师需要使用绝热材料来保护载具的金属蒙皮以及在高温下可能会发生故障的敏感电子设备。在较高温度下，由于材料属性发生变化，金属会丧失一些关键的结构性能。在第一次演示飞行中，工程师出于安全考虑而错误地安装了数量过多的绝热材料。优化未来飞行中使用的绝热材料数量意义重大，因为每一磅额外的绝热材料都会减少载具的有效载荷。

为了在第二次演示飞行前对绝热材料进行优化，工程师开展了计算流体动力学(CFD)和有限元分析(FEA)的集成仿真，以计算飞行时预期的表面温度和机体温度。耦合仿真的主要挑战是工程师需要把CFD代码计算得出的运载火箭的表面热载荷传递给ANSYS Mechanical FEA模型，用于开展结构和热分析，然后再把FEA代码计算得出的蒙皮温度传递回CFD进行分析。

工程师确定整个飞行过程中运载火箭上的温度分布，以确保传感器、仪器仪表、推进剂管线和其它关键组件均可维持在安全温度。由于运载火箭不会经历巡航过程，所以其空气动力学设计极具挑战性。相反，从火箭离开海平面到大气层边缘的临近真空环境的短短几分钟内，条件会不断地快速变化。最大热传递一般发生在大气层高处，此时运载火箭的飞行速度非常快，而周围的空气密度非常低。在运载火箭接近其指定的轨道时，热传递往往会大幅减少。

由于在大气层飞行过程中条件变化太快，因此需要进行多次仿真迭代才能捕获到相关的物理参数。每开展一次迭代不仅需要对运载火箭周围的空气进行流体仿真，还需要对运载火箭本身进行结构/热仿真。因为每个代码都依赖于另一个代码的结果，所以就必须在每个时步内完成一系列的迭代，才能够收敛得出准确的解决方案。最后，因为绝热材料的使用数量还会影响到运载火箭中的热传递以及火箭蒙皮的温度，所以需要多次重复整个仿真过程，以检查因绝热材料使用数量的不同所带来的影响。

针对运载火箭在飞行穿越地球大气层时所要经历的高马赫数，SpaceX工程师使用的CFD代码进行了专门的设计。该CFD代码可用于计算飞行过程中因火箭机体与周围空气相互作用所导致的火箭蒙皮温度的升高值。由CFD代码生成的蒙皮上的热载荷值随后被用作ANSYS Mechanical仿真的输入。然后工程师使用结构/热分析为耗散到绝热材料和运载火箭中的热量进行建模，这样就能为蒙皮温度生成一组新的值。这些温度随后会被映射返回到CFD仿真中，这两个代码按顺序依次运行，直至收敛，这样通过CFD得到的热载荷结果就会与结构/热代码确定的蒙皮温度保持一致。

SpaceX的工程师研发出了一个Matlab®程序，它可通过为每个代码生成相应的输入文件来自动控制分析。除了能把一个代码的结果映射到另一个代码，这些输入还包含有正确的大气条件和绝热材料的使用数量。ANSYSMechanical参数化设计语言(APDL)可通过提供计算机辅助设计(CAD)应用编程接口，让集成代码（本例中指Matlab）仅用少数命令就能绘制出模型——几行代码就可对运载火箭的模型进行定义，这就大大简化了仿真过程的自动化。此外，工程师还能使用APDL创建分层的壳单元，以表示运载火箭蒙皮的各个层，与使用固体单元相比，这种方法可缩短求解时间。

当SpaceX的工程师实现数千次迭代过程的自动化运行后，计算得出的用来保护运载火箭的绝热材料的最少使用量比第一次演示飞行时减少了约50磅。在2007年3月进行的第二次演示飞行中测得的温度与仿真预测的结果非常吻合，这说明绝热材料的使用数量减少后，其性能仍然能满足预期和设计要求。

通过仿真减少了绝热材料的重量，这样就能增加了猎鹰1号未来发射任务的有效载荷能力。在接下来的几年里，猎鹰1号和更大型的猎鹰9号都会承担一定数量的发射任务，因此，SpaceX现在就可以着手扩大自己的潜在客户群，并能在有效载荷质量当量的基础上增加收入。