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[资料] 美国航空航天局工程师用 Femap来确保“好奇”(Curiosity)号火星探测器能够熬过“...

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发表于 2015-5-14 13:42:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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向火星发送探测器是一项复杂的任务
从地球上将漫游科学实验室发射到火星需要进行细致的计划和精确的性能。你只有一次做对的机会,容不得丝毫差错。在实施一项耗时数年的产品开发计划中,美国加州理工学院美国航空航天局喷气推进实验室(JPL)的工程师和科学家做出了数千项重要决定,“好奇”号火星探测器才于2012年8月6日成功着陆盖尔陨坑(Gale Crater)。
从20世纪30年代以来,喷气推进实验室一直在从事火箭研发工作。1958年,喷气推进实验室的科学家们发射了美国第一颗地球轨道卫星 – “探索者”(Explorer)号卫星,随后成功完成了很多项发射任务 – 不仅有地球轨道卫星,而且向其它行星和恒星发射了卫星。
在做决定时,喷气推进实验室的工程师充分借助 Siemens PLM Software 公司的工程应用软件工具箱。该工具箱的一个关键组成部分是 Femap™ 软件,这是一个先进的工程仿真软件程序,可以为复杂的工程产品和系统创建有限元分析模型(FEA),并且显示解算结果。喷气推进实验室的工程师用 Femap 对“好奇”号的部件、装配和系统进行虚拟建模,并且仿真这些部件、装配和系统在各种条件下的行为。

在设计阶段早期用 Femap 来分析装有“好奇”号探测器的动力运载工具

在七分钟内从13,000 英里每小时减至0 英里每小时
“好奇”号探测器也叫“火星科学实验室” (MSL),与美国航空航天局之前发射到“红色行星”上的运载工具相比,体积要大很多。在装配好并且臂翼伸展开后,整个探测器的宽2.5 米,长4.5 米,高2.1 米,重约1 吨,比此前发射的探测器重四倍,长一倍,因此必须设计开发一个全新的软着陆程序。
美国航空航天局需要在“恐怖的七分钟”内让以13,000 英里每小时飞行的探测器停下来,才能实现软着陆。在完成了一系列“S”操纵并且部署了一个巨大的降落伞之后,用一个专门设计的“天空起重机”将火星科学实验室轻轻放下,以免损坏实验室的功能部件和科学部件。这些部件包括一个2.1 米长的机械臂 – 用于从岩石中采集动力样本( powered samples),挖取土壤,刷表面,然后将样本提交给分析仪器。机械臂转台上的科学仪器包括“火星手持透镜成像仪”(MAHLI)和阿尔法粒子 X 射线分光仪(APXS)。转台上的其它工具是探测器“样本采集、处理和搬运(SA/SPaH)子系统的部件:粉末采集钻孔系统(PADS)、除尘工具(DRT)以及火星岩石内部分析用采集和搬运(CHIMRA)装置。
此外,“好奇”号探测器还继承了于2004 年到达火星的“勇气”(Spirit)号和“机遇号”号火星探测器的很多设计要素,包括六轮驱动装置、摇杆转向节悬挂系统以及安装在桅杆上的摄像机(用于帮助地面上的任务团队选择探测目标以及在火星上的行进路线)。
整个航天器及其有效载荷几乎都需要用Femap 进行前/后处理,执行仿真分析。在生产零件和系统之前执行的仿真包括线性静态、正常载荷、屈曲、非线性、随机振动和瞬态分析。这些科学家用 Femap 仿真结果做出了数千项决定。除了任务本身的复杂性外,从初始设计到最终
向 Cape Canaveral 交付部件,研发“好奇”号探测器的工程师一直都夜以继日地工作。将探测器从地球发送到火星的理想时间窗口为2 到3 个星期,而这样的时间窗口每26 个月才有一次。如果错过了这样一个时间窗口,发射时间就要推迟两年多,因此喷气推进实验室的工程师需要快、高效分析零部件,以便尽早制作好。
在对运载工具进行全面 FEA 分析的过程中,Femap 起到了关键作用。运载工具的每个部件都建造了更高层次的载荷型模型,然后将这些模型连接在一起,形成一个完整的航天器模型。

Femap 的作用
Femap 是喷气推进实验室有限元分析的主要前/后处理器。对于火星科学实验室,工程师开始在设计阶段早期用 Femap 对各种配置或任务执行方法比较研究。随着配置日渐成熟,工程师用 Femap 来创建运行各种载荷工况的有限元分析主模型。
喷气推进实验室的大多数结构分析师都用Femap 来创建或查看有限元分析结果,进行高层次线性分析以及非常详细的非线性分析 – 尽管这两种分析差别很大,但是使用同一个软件。
有些任务太大,一个人根本无法完成,工程师有时必须借助此前用 Femap 建造 FEA 模型的其他工程师的工作成果。Femap 是一个很好用的软件包,开发该软件包的分析师非常了解工程师的需要和工作方法,即使六个月没有使用,也很容易在很短时间内恢复到熟练操作的水平。
在对运载工具进行全面 FEA 分析的过程中,Femap 起到了关键作用。运载工具的每个部件都建造了更高层次的载荷型模型,然后将这些模型连接在一起,形成一个完整的航天器模型。喷气推进实验室的工程师分析了各种假设情景,包括如何在着陆过程中部署降落伞的37种不同载荷工况。
“好奇”号探测器是喷气推进实验室目前诸多项目中的一个,这些项目包括地球情况监测卫星、望远镜、实验以及其它航天器。
在计划中的各项任务中,InSight 的目的是在2016年向火星发射一个着陆器,用于钻开火星表面,探测火星内部深处,以便更好地了解火星的演变过程。科学家们甚至为拟定中的“火星样本送回”任务制定了多项计划,以便采集火星表面样本并将其送回地球。
喷气推进实验室的工程师现在用 Femap 来完成这些以及其它工程、探测和科学任务,今后很可能还会继续这样做。
该软件用于高层次线性分析以及非常详细的非线性分析

整个航天器及其有效载荷几乎都需要用 Femap 进行前/后处理,执行仿真分析。在生产零件和系统之前执行的仿真包括线性静态、正常载荷、屈曲、非线性、随机振动和瞬态分析。这些科学家用 Femap 仿真结果做出了数千项决定。
Femap 是一个很好用的软件包,开发该软件包的分析师非常了解工程师的需要和工作方法,即使六个月没有使用,也很容易在很短时间内恢复到熟练操作的水平。
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