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圖1  NASA火星探測計劃項目主管Doug McCuistion與西門子工業業務領域CEO魯思沃博士共同展示火星探測器模型

設計、分析與制造之間的跨學科無縫集成使JPL得以從容應對火星科學實驗室(MSL)存在的熱學方面的挑戰。

噴氣推進實驗室(JPL)是美國一家以無人飛行器探索太陽系的先驅機構。迄今，實驗室已有50多年的太空探索與發現史，從最早的探索者1號航天器到最新的火星探測任務。

最近啟動的名為火星科學實驗室(MSL)的任務，計劃將好奇號火星車（一個移動實驗室）降落在火星上的蓋爾隕坑內。好奇號的使命是考察火星是否曾經有生命存在。車身安裝了一個可鉆入巖石內部提取樣本、挖取土壤樣本并將樣本送入內置分析設備的機械臂。

全新的熱設計與分析挑戰

好奇號并不是JPL發射的第一部火星探測器（圖1）。1997年，JPL發射了第一部探測器——旅居者號。此后又發射了勇氣號和機遇號兩部漫游者探測器，對火星進行雙面探索。勇氣號與機遇號于2004年1月登陸火星開始探索之路，按照最初的設計，兩部探測器將在火星上工作3個月，出人意料的是，機遇號的狀況非常好，至今仍在工作。雖然這些漫游者探測器的確為JPL在MSL熱控系統方面積累了重要經驗，但此次項目與之前的挑戰相比有著重大的不同，也為JPL帶來了諸多新挑戰。

好奇號使用的多任務放射性同位素熱電發生器(MMRTG)將持續產生大量熱能，鑒于此JPL不得不增強排熱系統的性能，以應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，而熱負荷的加重，便需要為其加裝一個探測器排熱系統。而好奇號與其他火星車還存在一個更大的異同之處，即其排熱系統必須在火星表面工作。飛行排熱系統采用單一的運行模式排除廢熱，而探測器排熱系統需要在火星表面進行供熱與冷卻兩種作業。

MSL熱控系統的設計不僅僅涉及排熱系統，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的溫度保持在規定范圍內，滿足MSL執行任務期間的所有運行模式及其將會歷經的各種熱狀況。

據估計，MSL在進入火星大氣層的過程中，部分飛行系統的溫度最高將升至1447℃。而MSL在向火星飛行的過程中將會經歷的最冷的環境是外太空（-2開/-275℃）,而火星表面的熱環境溫度在-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開始構建技術基礎設施，旨在滿足日漸緊湊的時間要求并降低預算。其中一個關鍵環節是創建從概念設計到制造的無縫軟件接口。如若成功， JPL可將傳遞錯誤、手工過程及網格之間的插補降至最低水平。將錯誤和返工率保持在最低水平，是滿足設計和建造時間表的關鍵所在。

為了解決這些問題，JPL使用了Siemens PLM Software的NXTM軟件，作為端對端機械設計平臺。NX為JPL提供了一個將計算機輔助設計(CAD)/計算機輔助工程(CAE)/計算機輔助制造(CAM)完全集成的系統。這是JPL在開發MSL的機械部分（包括熱控系統）時所使用的系統。

虛擬MSL

JPL的機械設計師利用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字化裝配模型。分析員將NX幾何體（根據需要進行簡化）作為有限元網格的基礎。通過將設計幾何體與分析網格放在一個單一環境中，得以改善設計與分析團隊之間的協同，并減少創建分析模型所需的時間和精力。此外，集成NX環境還使得工程團隊能夠快速地對涉及機械設備的設計進行再評估。

JPL工程師一開始進行的是小規模仿真（作為試點項目），旨在驗證建模假設；最終他們得到的結果是模型精確反映了現實結構。爾后，他們使用NX CAE解決方案進行熱分析，對多種物理效應進行仿真，如火星車內的液體流動、推進系統的暖風控制以及飛行期間的太陽能載荷等。然后再利用分析結果更新設計幾何體。從設計到熱分析的過程，及后來返回更新設計幾何體的過程的簡易性與高效率，顯著加快了MSL熱控系統的開發速度。節約時間和滿足時間表固然至關重要，但應用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進行仿真的條件下對熱控系統的性能進行評估。

除了更緊密的設計-分析集成之外，應用NX還能實現不同分析類型的集成，如熱分析、機械變形分析與應力分析。如不實施NX，工程師需要先實施一個熱解決方案，然后人工將溫度映射至結構化網格上（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，設計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轉造成干擾。通過查看靜態圖紙或數字化模型很難達到此目的，但利用NX Motion就能解答這些問題，并避免了進行物理試驗所需的成本和時間。

目前，必須等到MSL抵達火星，火星車著陸并開始執行任務之后，才能檢驗所有努力的最終成效。但毋庸置疑的是，本項目滿足了JPL尋求一個無縫端對端機械設計解決方案時所抱持的期望，為他們帶來了諸多益處。MSL飛行系統是JPL所實施的最復雜的火星探測任務，涉及諸多新技術與一種全新的“進入、降落和著陸”方法

因此很難將此次任務的開發生命周期與以前的任務進行對比，但相較于以前的項目，本次MSL項目的人工作業有所減少，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，因為無需將數據再次輸入多個應用程序，也避免了一個潛在的誤差來源，從而使得JPL在進行MSL設計時獲得前所未有的自信。