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直到最近，将卫星送入轨道的火箭在使用一次后就被完全丢弃了——大多数发射仍然经常这样做。在过去的一年里，第一代可重复使用卫星发射已经得到验证，可重复使用发射的商业案例也已经完成。

作为国防高级研究计划局 (DARPA) 实验航天飞机 (XS-1) 计划的主要承包商，Masten Space Systems 正在开发一种运载火箭，其设计创新侧重于下一代可重复使用性。DARPA 的 XS-1 计划旨在通过实现类似飞机的可重用性和飞行率 [1]，将进入太空的时间和进入太空的成本减少几个数量级。DARPA XS-1 项目经理 Jess Sponable 表示：  “我们认为 10 天内飞行 10 次远远超出了 SpaceX 或 Blue Origin 目前的能力。”  [2]

 
Masten 的 Xephyr 在上级分离后返回陆地之前的艺术渲染。| 由 Masten Space Systems 提供。

“Masten Space Systems 在 HPC 规模上大量使用 FINE（现在的 Omnis）套件来设计我们的下一代可重复使用的卫星发射系统。我们开发了一种空气动力学配置，这在发射或重返大气层之前从未做过。第一次风洞测试证实了关键设计的各个方面，以及预测与测量结果的比较。” --Allan Grosvenor，Masten Space Systems 空气动力学主管。

要求包括将 3,000 磅重物运送到倾斜 90 度的 100 海里参考轨道的每次飞行成本低于 500 万美元。Masten 工程师需要在各种飞行条件下优化助推器设计，包括从海平面上升到上级分离点的高超音速，然后再入和返回飞行。

Cadence CFD 与 Masten 空气动力学负责人 Allan Grosvenor 及其团队密切合作，开发了一个 HPC 驱动的工作流程，该工作流程支持车辆配置的概念开发、演变和优化，其中考虑了空气动力学性能、控制、负载和空气热加热，同步轨迹优化。

HIFiRE-1 高速转换实验的研究是用于验证 Cadence CFD 求解器预测的几个测试案例之一（图 1）。HIFiRE-1 实验（Wadhams 等人，2008 年）是一个锥体-圆柱体-耀斑配置，暴露于在 CUBRC LENS 高超音速隧道中进行的 7.2 马赫流（Re 1E7）。显示的数值结果可捕获相关物理并预测压力和热通量，尤其是对热保护系统设计至关重要的峰值加热。

图 1. 上图：HIFiRE-1 实验装置。下图：  Omnis Turbo  CFD 解决方案与实验数据 的比较[4]。| 由 Masten 空气动力学负责人 Allan Grosvenor 提供

为了说明优化过程，我们创建了一个虚构的高速飞行器测试用例，其灵感来自 电视连续剧太空堡垒卡拉狄加的Colonial Viper 战斗机 。

船舶设计通过 Cadence 的 AutoBlade 建模器进行参数化控制。一组参数控制座舱盖的长度和高度、机翼和垂直安定面角度和后掠角，以及机头半径和下垂（图 2）。广泛的参数集可用于更详细的 3D 造型和机身、升降和控制表面等所有部分的变化。

图 2. 使用 AutoBlade 控制的参数化设计变化

设计必然需要考虑整个发射和返回轨迹。Masten Space Systems 进行的大量有组织的研究包括在几个关键飞行条件下运行扫描，包括飞行角度的变化（例如，俯仰、偏航、滚转）和空气动力学控制表面角度。这里显示的例子说明了这些研究的一个子集，重点是重返大气层。

DoDHPCMP 超级计算机 [3] 被用来进行广泛的研究，计算管道（图 3）表示为运行复杂的设计演变过程而执行的有组织的工作流。Masten Space Systems 发现，只有使用 Cadence，他们才能系统地生成高质量的网格（流域离散化）和高精度的解决方案。

图 3. HPC 计算管道。| 由 Masten Space Systems 提供

网格划分任务使用Omnis Hexpress自动化 ，这是 Cadence 的新一代多核网格划分工具。它旨在生成复杂几何体的网格，而不管 CAD 格式和质量如何（图 4）。

图 4. 标准网格划分实践与 Cadence 高效方法的比较。

该工具以完全并行和批处理模式生成完整的六面体和六面体主网格，非常适合应对 Masten 的挑战。Masten Space Systems 选择使用生成纯六边形网格的选项。

图 5. Colonial Viper 模型的 CFD 网格视图。| 由 Masten Space Systems 提供

CFD 模拟全部使用 Cadence 的Omnis Open-DBS CFD 求解器执行  ，然后通过以全自动方式批量运行的脚本进行后处理。完整 3D 解决方案的数据挖掘为优化过程提供了支持。

以下动画是基准飞行器与新设计在再入性能和稳定性方面的比较。

 

图 6. 再入矩阵结果比较：基线（左）与修改（右）设计

图 7. 性能和稳定性图显示优化设计如何显着优于基线模型。| 由 Masten Space Systems 提供

有关 Cadence 软件产品和咨询服务的更多信息，请访问我们的网站或致电 +1(415)558-8483。

本文中提到

Masten Space Systems 降低进入太空的障碍。他们的使命有助于实现将人类存在扩展到整个太阳系的共同战略目标。他们的方法：可重用性。他们的技术开发以进入、下降和着陆技术 (EDL) 为核心，以确保在行星和其他天体上的精确和安全着陆。 了

Cadence CFD 是电子设计领域的关键领导者，建立在 30 多年的计算软件专业知识和数十年的计算流体动力学 (CFD) 专业知识之上。凭借行业领先的网格划分方法和强大的求解器和后处理功能，Cadence CFD 为推进、空气动力学、流体动力学和燃烧等应用提供了全面的工作流程。 

• DARPA 推动实验航天飞机 XS-1 的新努力 (nasaspaceflight.com)

• DARPA 实验太空飞机计划进入下一阶段 (spacenews.com)

• 超级计算机降低了太空访问的成本 (digitaleng.news)

• HIFiRE-1 Mach 7 气热加热预测 (researchgate.net)

文章来源：cadence博客