NASA的LAVA模拟完善阿尔忒弥斯二号发射

火箭点火前模拟月球任务

NASA详细介绍了其发射、上升和飞行器空气动力学(LAVA)计算框架如何在完善阿尔忒弥斯二号发射环境中发挥关键作用——该任务是NASA首次载人阿尔忒弥斯任务,将把四名宇航员送往月球周围。NASA艾姆斯研究中心的工程师利用2022年无人阿尔忒弥斯一号发射收集的数据运行模拟,揭示了太空发射系统火箭尾气羽和发射台水消音系统之间以前未知的相互作用。

模拟发现了一个违反直觉的效应:虽然消音系统的水能有效降低可能损伤飞行器的声压波,但火箭尾气可以改变水流方向,从而在活动发射平台的特定区域产生显著的压力增加。如果不进行干预,这些压力峰值可能会超过发射台部件的结构容限。

LAVA如何工作

LAVA框架处理计算流体动力学——气体和液体行为的数学建模。在火箭发射时,相关物理过程极其复杂:超音速尾气以超过3000摄氏度的温度从发动机喷出,与发射台的钢质沟槽和水喷淋系统相互作用,产生以音速传播的压力波,引发需要专门算法准确模拟的湍流混合。

比较有消音系统和无消音系统运行的模拟使工程师能够准确隔离其效应。水大大降低了对飞行器的总体声学载荷,但尾气-水相互作用引起的压力重新分配确定了活动发射平台上需要加固或设计改进的特定位置。

从模拟到硬件改进

LAVA模拟的成果不仅仅是学术性的。肯尼迪航天中心的工程师利用模拟结果重新设计了阿尔忒弥斯二号活动发射平台的特定元素,以应对已识别的压力增加。这代表了从计算建模到物理硬件改进的直接转化,将使载人任务更加安全。

这一过程说明了为什么NASA大力投资模拟能力而不是完全依赖实验测试。火箭发射的物理测试成本巨大且仪器化程度有限;计算模拟使工程师能够探索数千种参数变化,识别极端情况,并以物理实验无法做到的方式理解根本原因。

向航空航天界发布

NASA计划在未来几周内向更广泛的航空航天界发布LAVA,将其用途扩展到NASA自身计划之外,惠及商业发射公司、飞机制造商和学术研究人员。该工具已通过NASA高级超计算设施举办的研讨会向公众展示。

对于通常缺乏资源在内部开发等效模拟基础设施的商业发射供应商来说,获得LAVA意味着能力的显著提升。该工具可以通过更有信心的预测加速下一代运载火箭的开发时间,并通过减少昂贵物理试验活动的频率来降低成本。

本文基于NASA报道。阅读原文。