JPL
Aerospace & Defense NX Teamcenter Simcenter 3D Simcenter
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带上利用NX开发的热控系统重返火星

加州理工学院, 帕萨迪纳, United States

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带上利用NX开发的热控系统重返火星

加州理工学院, 帕萨迪纳, United States
挑战
  • 更紧凑的时间表
  • 任务执行期间的日变温空间大
  • 更大的、装配放射性同位素电源系统的探测器
成功的关键
  • 单一软件平台(NX)贯穿从设计到制造的全过程
  • 整个MSL的数字化装配模型
  • 通过NX CAE软件实现跨学科仿真
结果
  • 提高设计-分析-再设计迭代的速度
  • 人工作业与返工任务减少;效率提高
  • 对硬件建模、设计实施及任务仿真的信心有所增强
  • 测试计划更具针对性

JPL

喷气推进实验室(JPL)是一个由联邦拨款资助的研究与开发中心,隶属于美国国家航空航天局,行政上由加州理工学院进行管理。

http://www.jpl.nasa.gov

JPL Case Study

体积更大、性能更优的探测器

喷气推进实验室(JPL)是美国一家以无人飞行器探索太阳系的先驱机构。迄今,实验室已有50多年的太空探索与发现史,从最早的探索者1号航天器至最新的火星探测任务(于2011年11月发射,计划于2012年8月登陆火星)。

最近启动的这项名为火星科学实验室(MSL)的任务,计划将好奇号火星车(一个移动实验室)降落在火星上的盖尔陨坑内。好奇号的使命是考察火星是否曾经支持生命存在,车身安装了一个可钻入岩石内部提取样本、挖取土壤样本、并将样本送入内置分析设备的机械臂。

全新的热设计与分析挑战

好奇号并不是JPL发射的第一部火星探测器。1997年,JPL 发射了第一部探测器——旅居者号。此后又发射了勇气号和机遇号两部漫游者探测器,对火星进行双面探索。勇气号与机遇号于2004年1月登陆火星开始探索之路。

按照最初的设计,两部探测器将在火星上工作3个月。然而出人意料的是,机遇号的健康状况非常好,至今仍在工作。虽然这些漫游者探测器的确为JPL 在MSL热控系统方面积累了重要经验,但本次项目与它们存在重大的不同,为JPL带来了诸多新挑战。

好奇号使用的多任务放射性同位素热电发生器(MMRTG)将持续产生大量热能,鉴于此,JPL不得不增强排热系统的性能,以应对探测器飞行期间的热能问题。

此外,好奇号火星车的有效载荷更重,需要更好的散热能力。热负荷加重,便需要加装一个探测器排热系统。而好奇号与其它火星车还存在一个更大的异同之处,即其排热系统必须在火星表面工作。飞行排热系统采用单一的运行模式排除废热,而探测器排热系统需要在火星表面进行供热与冷却两种作业。

MSL热控系统的设计不仅仅涉及排热系统,还包括所有典型的热控硬件(加热器、恒温器、热控涂层与隔热罩),用以将有效载荷与航天器子系统的温度保持在规定范围内,满足MSL执行任务期间的所有运行模式及其将会历经的各种热状况。

据估计,MSL在进入火星大气层的过程中,部分飞行系统的温度最高将升至1,447摄氏度(C)。而MSL在向火星飞行的过程中将会经历的最冷的环境是外太空(-2开/-271摄氏度)。火星表面的热环境温度在-135摄氏度至+50 摄氏度之间。

亟需:无缝集成

大约十年前,JPL开始构建技术基础设施,旨在满足日渐紧凑的时间要求并降低预算。其中,一个关键环节是创建从概念设计到制造的无缝软件接口。如若成功, JPL可将传递错误、手工过程及网格之间的插补降至最低水平。将错误和返工率保持在最低水平,是满足设计和建造时间表的关键所在。

为了解决这些问题,JPL实施了Siemens PLM Software的NX™软件,作为端对端机械设计平台。NX为JPL提供了一个将计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助工程(CAE)/计算机辅助制造(CAM)完全集成的系统。这是JPL在开发MSL的机械部分(包括热控系统)时所使用的系统。

虚拟 MSL

JPL的机械设计师利用NX建造了MSL的整体模型,包括其在飞行阶段与降落阶段的数字化装配模型。分析员将NX几何体(根据需要进行简化)作为有限元网格的基础。通过将设计几何体与分析网格放在一个单一环境中,得以改善设计与分析团队之间的协同,并减少创建分析模型所需的时间和精力。此外,集成NX环境还使得工程团队能够快速地对涉及机械设备的设计进行再评估。

JPL工程师一开始进行的是小规模仿真(作为试点项目),旨在验证建模假设;最终他们得到的结果是,模型精确反映了现实结构。尔后,他们利用NX CAE解决方案进行热分析,对多种物理效应进行仿真,如火星车内的液体流动、推进系统的暖风控制以及飞行期间的太阳能载荷等。然后再利用分析结果更新设计几何体。从设计到热分析的过程、及后来返回更新设计几何体的过程的简易性与高效率,显著加快了MSL热控系统的开发速度。节约时间和满足时间表固然至关重要,但除此之外,应用NX还可以带来另一个同样非常重要的益处,即使得JPL能够在无法通过物理试验进行仿真的条件下对热控系统的性能进行评估。

除了更紧密的设计-分析集成之外,应用NX还能实现不同分析类型的集成,如热分析、机械变形分析与应力分析。如不实施NX,工程师需要先实施一个热解决方案,然后人工将温度映射至结构化网格上。利用NX,便可以省去这一人工过程。

此外,NX使得多种分析更易于操作。例如,设计师可能需要弄清移动任何组件是否可能对任何其它组件或火星车的运转造成干扰。通过查看静态图纸或数字化模型很难达到此目的。但利用NX Motion就能解答这些问题,并避免了进行物理试验所需的成本和时间耽搁。

目前,我们必须等到MSL抵达火星、火星车着陆并开始执行任务之后,才能检验所有努力的最终成效。但毋庸置疑的是,本项目满足了JPL寻求一个无缝端对端机械设计解决方案时所抱持的期望,为他们创造了诸多益处。MSL飞行系统是JPL所实施的最复杂的火星探测任务,涉及诸多新技术与一种全新的“进入、降落和着陆”方法。

因此,很难将此次任务的开发生命周期与以前的任务进行对比,但相较于以前的项目,本次MSL项目的人工作业有所减少,上游与下游建模的效率以及仿真接口的效率均有所提高。此外,因为无需将数据再次输入多个应用程序,于是避免了一个潜在的误差来源,从而使得JPL在进行MSL设计时获得前所未有的自信。

JPL还使用了Siemens PLM Software 的Teamcenter® 软件。Teamcenter为整个数字化生命周期的结构化产品与过程信息管理提供单一源。

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