构造更棒的航天器

随着计算机辅助工程（以下简称CAE）软件变得越来越精密，如今工程师们可以使用CAE软件为接近完成的设计进行进一步的优化。这使工程师们能在产品开发周期的末期对物理样机进行测试。CAE软件的使用对航天工业至关重要，因为要搭建足以模拟真实条件下的测试环境是非常困难的。虽然使用真空室和风洞会有所帮助，但却无法同步实现所有的测试条件。这也就是为什么航天器生产商泰雷兹阿莱尼亚宇航公司意大利分部（ Thales Alenia Space Italia 以下简称TAS-I）在为欧洲航天局（ European Space Agency）设计、测试和制造高超音速再入飞行器时要使用CAE软件的原因。

TAS-I公司的航空力学和推进力方面的负责人科西莫・基亚雷利，曾协助了该航天器的设计和测试工作。他对使用CAE软件的原因做出如下解释，重返大气层的物理过程是复杂的，因此对航天器的分析需要使用一种多学科的优化方法（MDO），以便考虑到所有的变量。

其中一类变量包括航天器的结构，例如，几何结构（包括长度和形状）、外壳的规格、外壳所使用材料的属性和热防护系统（ thermal-protection system）。另一类变量包括飞行轨迹（由航天器的飞行速度、飞行高度和迎角构成），航天器迎风面、背风面和鼻翼区的受热状况以及航天器承载的热负荷。最后完成的设计要将所有的变量都考虑在内，此外，再入阶段（即重返大气层阶段）中最关键的那150秒是需着重考虑的部分。

为了改进设计方案，工程师们将优化法中的物理学科都分别进行了单独模拟。他们把所有的软件包进行集成，并将对航天器的分析任务分解为7个主要计算任务和40个次要任务，其中多数任务都设有独有的输入输出文件类型。工程师们使用Isight视频工序自动化软件（ Isight process automation software，以下简称Isight软件，由Simulia公司出品，总部位于美国罗德岛普罗维登斯）来组织任务的实施、控制不同TAS-I代码的执行，以及帮助解析所有任务结果。基亚雷利说道，“该软件能帮助我们建立灵活的仿真工作流程并能自动探索较大设计模型的解决方案。” 为了研究新的MDO方法的可行性，工程师们假定一个高超音速再入航天器并假定要简化应用。为了进一步精简流程，他们决定将所有变量结合在一起对设计进行一次整体的优化，而不是针对每个变量逐一的对设计进行优化。为了最大限度的减少开支，工程师们应用了工序自动化软件中适用的仿真热处理算法，这是一种统计手法，用于搜索大量的设计方案。Isight软件仅在一天的时间内就能运行200个迭代周期，此外还装配有多种能够满足需求的设计方案。基亚雷利说道，该软件能够操纵所有的仿真并改进工作流程，帮助统一TAS-I的流程并大幅削减分析次数。

在找到能有效改进设计方案的途径后，工程师们只需要最终所得的航天器进行验证，看它能否在再入阶段的严苛条件下存活下来。仿真所涉及的相关变量数量庞大，因而工程师们再一次的使用了Isight软件来管理工作流程。过去在实施项目时，一旦工程师们确定了轨迹，他们就需要鉴定出设计方案能承载的最大热负荷，此外还将这一过程分成若干步骤。但是这种方法使工程师们只看得到航天器在最坏情况下的特定点，因而他们通常会做出过于保守的设计假设，而这将有损航天器的性能。

为了适应现实条件，工程师们在Isight软件中插入了一个大型专用的数据库，其中包含有全部的25种飞行条件的应对措施。分析的目的是为了对航天器上每个区域的可能轨迹进行时间步长的估算。工程师们依靠Isight软件的性能来对各独立的步骤进行组合，形成一个完成的流程并将其运行起来。

首先，该软件执行了一次蒙特.卡洛模拟法，在1000个样本轨迹中随机的为25个飞行参数评估了模型性能。然后，又对关键变量的时间历程（总共有300000个时间历程）做了后处理，这些变量的时间历程来源于航天器上100个不同位置的所有轨迹（一共有1000个）。最后，通过对时间历程的分析，确定出飞行器在每条轨迹上每个点的最大热负荷和流量。

正如工程师们所期望的那样，MDO方法能够轻易的估算出飞行器表面上的热负荷并能将能对轨迹产生影响的误差考虑在内。基亚雷利说道，使用MDO方法，整个过程大约只需要48个小时，相比之下，按照以往的流程顺序经过设计、分析和优化后要花费2周的时间。

由于研究的成功，现在TAS-I工程师们开始使用更高保真度的代码并将MDO应用到更复杂的再入飞行器的研究中。工程师们估计，经过如此改良，仿真迭代的人工耗时将会减少约80%（因为数据转录过程中的人为错误的减少）；设计的效率会被大大提高；此外，工程分类和部门之间的合作性将得到优化。如今由于工程师们有能力解决更多高超音速再入设计中的不确定因素，更多的外太空探测器将能安全的满载而归。