圖1 NASA火星探測計(jì)劃項(xiàng)目主管Doug McCuistion與西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域CEO魯思沃博士共同展示火星探測器模型
設(shè)計(jì)、分析與制造之間的跨學(xué)科無縫集成使JPL得以從容應(yīng)對火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)存在的熱學(xué)方面的挑戰(zhàn)。
噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)是美國一家以無人飛行器探索太陽系的先驅(qū)機(jī)構(gòu)。迄今，實(shí)驗(yàn)室已有50多年的太空探索與發(fā)現(xiàn)史，從最早的探索者1號航天器到最新的火星探測任務(wù)。
最近啟動的名為火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)的任務(wù)，計(jì)劃將好奇號火星車（一個移動實(shí)驗(yàn)室）降落在火星上的蓋爾隕坑內(nèi)。好奇號的使命是考察火星是否曾經(jīng)有生命存在。車身安裝了一個可鉆入巖石內(nèi)部提取樣本、挖取土壤樣本并將樣本送入內(nèi)置分析設(shè)備的機(jī)械臂。
全新的熱設(shè)計(jì)與分析挑戰(zhàn)
好奇號并不是JPL發(fā)射的第一部火星探測器（圖1）。1997年，JPL發(fā)射了第一部探測器——旅居者號。此后又發(fā)射了勇氣號和機(jī)遇號兩部漫游者探測器，對火星進(jìn)行雙面探索。勇氣號與機(jī)遇號于2004年1月登陸火星開始探索之路，按照最初的設(shè)計(jì)，兩部探測器將在火星上工作3個月，出人意料的是，機(jī)遇號的狀況非常好，至今仍在工作。雖然這些漫游者探測器的確為JPL在MSL熱控系統(tǒng)方面積累了重要經(jīng)驗(yàn)，但此次項(xiàng)目與之前的挑戰(zhàn)相比有著重大的不同，也為JPL帶來了諸多新挑戰(zhàn)。
好奇號使用的多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器(MMRTG)將持續(xù)產(chǎn)生大量熱能，鑒于此JPL不得不增強(qiáng)排熱系統(tǒng)的性能，以應(yīng)對探測器飛行期間的熱能問題。此外，好奇號火星車的有效載荷更重，需要更好的散熱能力，而熱負(fù)荷的加重，便需要為其加裝一個探測器排熱系統(tǒng)。而好奇號與其他火星車還存在一個更大的異同之處，即其排熱系統(tǒng)必須在火星表面工作。飛行排熱系統(tǒng)采用單一的運(yùn)行模式排除廢熱，而探測器排熱系統(tǒng)需要在火星表面進(jìn)行供熱與冷卻兩種作業(yè)。
MSL熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅僅涉及排熱系統(tǒng)，還包括所有典型的熱控硬件,如加熱器、恒溫器、熱控涂層與隔熱罩，用以將有效載荷與航天器子系統(tǒng)的溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，滿足MSL執(zhí)行任務(wù)期間的所有運(yùn)行模式及其將會歷經(jīng)的各種熱狀況。
據(jù)估計(jì)，MSL在進(jìn)入火星大氣層的過程中，部分飛行系統(tǒng)的溫度最高將升至1447℃。而MSL在向火星飛行的過程中將會經(jīng)歷的最冷的環(huán)境是外太空（-2開/-275℃）,而火星表面的熱環(huán)境溫度在-135～+50℃。
圖2 火星探測器的制造過程
亟需無縫集成
大約10年前，JPL開始構(gòu)建技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，旨在滿足日漸緊湊的時間要求并降低預(yù)算。其中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是創(chuàng)建從概念設(shè)計(jì)到制造的無縫軟件接口。如若成功， JPL可將傳遞錯誤、手工過程及網(wǎng)格之間的插補(bǔ)降至最低水平。將錯誤和返工率保持在最低水平，是滿足設(shè)計(jì)和建造時間表的關(guān)鍵所在。
為了解決這些問題，JPL使用了Siemens PLM Software的NXTM軟件，作為端對端機(jī)械設(shè)計(jì)平臺。NX為JPL提供了一個將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)/計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)完全集成的系統(tǒng)。這是JPL在開發(fā)MSL的機(jī)械部分（包括熱控系統(tǒng)）時所使用的系統(tǒng)。
虛擬MSL
JPL的機(jī)械設(shè)計(jì)師利用NX建造了MSL的整體模型，包括其在飛行階段與降落階段的數(shù)字化裝配模型。分析員將NX幾何體（根據(jù)需要進(jìn)行簡化）作為有限元網(wǎng)格的基礎(chǔ)。通過將設(shè)計(jì)幾何體與分析網(wǎng)格放在一個單一環(huán)境中，得以改善設(shè)計(jì)與分析團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同，并減少創(chuàng)建分析模型所需的時間和精力。此外，集成NX環(huán)境還使得工程團(tuán)隊(duì)能夠快速地對涉及機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行再評估。
JPL工程師一開始進(jìn)行的是小規(guī)模仿真（作為試點(diǎn)項(xiàng)目），旨在驗(yàn)證建模假設(shè)；最終他們得到的結(jié)果是模型精確反映了現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)。爾后，他們使用NX CAE解決方案進(jìn)行熱分析，對多種物理效應(yīng)進(jìn)行仿真，如火星車內(nèi)的液體流動、推進(jìn)系統(tǒng)的暖風(fēng)控制以及飛行期間的太陽能載荷等。然后再利用分析結(jié)果更新設(shè)計(jì)幾何體。從設(shè)計(jì)到熱分析的過程，及后來返回更新設(shè)計(jì)幾何體的過程的簡易性與高效率，顯著加快了MSL熱控系統(tǒng)的開發(fā)速度。節(jié)約時間和滿足時間表固然至關(guān)重要，但應(yīng)用NX還可以帶來另一個同樣非常重要的益處，即使得JPL能夠在無法通過物理試驗(yàn)進(jìn)行仿真的條件下對熱控系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估。
除了更緊密的設(shè)計(jì)-分析集成之外，應(yīng)用NX還能實(shí)現(xiàn)不同分析類型的集成，如熱分析、機(jī)械變形分析與應(yīng)力分析。如不實(shí)施NX，工程師需要先實(shí)施一個熱解決方案，然后人工將溫度映射至結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上（圖2）。利用NX，便可以省去這一人工過程。
此外，NX使得多種分析更易于操作。例如，設(shè)計(jì)師可能需要弄清移動某一組件是否可能對其他組件或火星車的運(yùn)轉(zhuǎn)造成干擾。通過查看靜態(tài)圖紙或數(shù)字化模型很難達(dá)到此目的，但利用NX Motion就能解答這些問題，并避免了進(jìn)行物理試驗(yàn)所需的成本和時間。
目前，必須等到MSL抵達(dá)火星，火星車著陸并開始執(zhí)行任務(wù)之后，才能檢驗(yàn)所有努力的最終成效。但毋庸置疑的是，本項(xiàng)目滿足了JPL尋求一個無縫端對端機(jī)械設(shè)計(jì)解決方案時所抱持的期望，為他們帶來了諸多益處。MSL飛行系統(tǒng)是JPL所實(shí)施的最復(fù)雜的火星探測任務(wù)，涉及諸多新技術(shù)與一種全新的“進(jìn)入、降落和著陸”方法
因此很難將此次任務(wù)的開發(fā)生命周期與以前的任務(wù)進(jìn)行對比，但相較于以前的項(xiàng)目，本次MSL項(xiàng)目的人工作業(yè)有所減少，上游與下游建模的效率以及仿真接口的效率均有所提高。此外，因?yàn)闊o需將數(shù)據(jù)再次輸入多個應(yīng)用程序，也避免了一個潛在的誤差來源，從而使得JPL在進(jìn)行MSL設(shè)計(jì)時獲得前所未有的自信。
