太空载人舱水上安全着陆仿真—赢得NASA宇航成就奖

项目介绍

当美国国家宇航局NASA恢复发送宇航员进入宇宙时，确定了宇航员将搭乘猎户座太空载人舱返回地球，它的外观与大家熟悉的阿波罗太空舱相似，当它随着明亮的橙色和白色降落伞着陆在太平洋时吸引了全世界的目光。NASA指出，猎户座是专为深入太空执行长时间任务而进行的全新设计，具备新的生命支持系统、推进器、热防护和宇航电子系统。

美国宇航局工程与安全中心（NESC）积极参与此项目，帮助NASA进行增值服务，避免可能潜在的问题，NESC进行独立物理测试、分析和风险评估，以确保系统安全和任务成功。

挑战

猎户座太空舱在水上着陆是一个非常复杂和多变的过程，舱体结构和子结构上承受了复杂的动态载荷，如热防护、大气和水环境等。为了维持飞船的结构完整性和提升宇航员的安全，需要更清楚地了解在水面着陆时产生的各种动态载荷。

建立此过程的计算机仿真模型是十分复杂的，特别是与很多仿真输入变量，如网格密度、边界条件和接触面等密切相关，这些变量对仿真结果的准确度会有很大的影响。为了保证仿真可以尽可能准确地反映真实性，物理测试数据是十分必要的，可用于有限元模型的相关性分析及对标，一旦工程师肯定了物理模型和虚拟仿真模型具备很好的相关性，他们可以放心地使用有限元模型作为预测工具分析水上着陆过程及优化结构设计。

NESC寻求建立一个清晰而详细的建模方法，可以准确模拟猎户座太空载人舱水上着陆的整个动态过程。具体来说，工作的重点是确定仿真的关键变量、方法和物理测试数据，需要建立一个准确的计算机仿真有限元分析（FEA）模型。利用这样一个准确的有限元分析模型，计算得到加速度、载荷和轨迹等关键数据，用来评估和研发水上着陆过程中宇航员的安全系统，以及预测太空舱结构本身的结构稳定性。

解决方案
NASA制造了一个全尺寸的太空舱实物样机以完成物理测试。太空舱主要是由钢铁及一些加强材料制成，因此被视为刚体来分析。太空舱钢结构装备着各种数据采集设备，如加速度计、应变仪、惯性测量单元(IMU)和压力传感器等。摄影测量装置也放置在外表面，用来准确地测量太空舱的运行轨迹，高速摄像机置于关键位置。

在一个平静的淡水深湖中，NESC进行了60多次不同撞击角度和撞击速度下的物理试验，并将试验数据提供给仿真团队用于对有限元模型的校对及相关性分析。

“我们意识到合理的网格尺寸和疏密比率是建模的关键，这将决定模型计算结果与物理试验结果的匹配程度。”NESC太空舱水上着陆仿真团队成员及Altair ProductDesign工程经理 Mahesh Patel说，“我们使用HyperWorks前处理器，即HyperMesh，把太空舱结构建模成一个刚体。”

加速仪的位置（俯视） 考虑水与空气的压力 模拟水面撞击

Altair ProductDesign把加速度计置于虚拟模型中，用于复制物理试验所得的加速度值。另外，为了匹配着陆试验的条件，模型定义了25英尺的水深和13英尺的空气高度。当仿真团队成员得到了物理试验数据，就可以改变输入参数调整模型，发现对加速度值进行对标是最可靠的。然后对接触面刚度、网格密度、流体压力分布和边界条件等参数进行敏感性分析，这些参数都与加速度值有关。分析结果发现，网格密度是仿真与试验结果相关程度影响最大的参数。
该团队建立了二十个舱体及流体网格密度均不相同的模型，进行模型网格敏感性研究。发现当在三个方向上，都把最小的网格尺寸应用于流体网格，而只改变太空舱的网格尺寸，使之大于或等于流体网格尺寸时 ，模型就具有很好的相关性。

仿真结果与测试结果比较图

结论

网格敏感性研究的结果表明：要取得良好的相关性，载人舱模型网格与流体网格的尺寸比率非常重要。鉴于Altair ProductDesign的努力工作和研究成果，2011年11月1日，NESC在弗吉尼亚州威廉斯堡给太空舱水上着陆建模评估团队颁发了团队成就奖。

由于精诚合作，顺利完成了NESC的任务，Altair ProductDesign被称赞为“为加速研发进程做出突出贡献”。每年一次的NESC荣誉奖颁发给NASA中心的员工、业界代表和其他利益相关者，以表彰他们在工程上的成就、领导能力以及团队合作与沟通能力。该奖项正式确认那些为NESC做出了突出贡献的个人和团队，如做了示范性的工程项目，在技术上精益求精，或者营造了一个开放的环境。

“此研究成果对确保正在进行的其他猎户座太空载人舱项目建模及仿真结果的准确性是非常宝贵的。” Mahesh Patel说，“此外，如今NASA已经掌握了这种久经考验的仿真方法，可以相信，后续工作的仿真结果定能准确模拟真实世界的物理系统，从而领导着陆安全系统的开发和性能的改善。”