透過模擬推進太空任務分析與設計

在火箭發射或衛星抵達在低地球軌道 (LEO) 的目的地之前。在探測車登陸月球，或是無人太空船啟程前往太陽系深處之前。在這一切任務展開之前，專案核心的工程師與研究人員，必須進行太空任務分析與設計 (SMAD)。

SMAD 涵蓋太空任務的所有要素，從任務需求與參數，到載具設計、使用技術及測試流程。SMAD 的核心目標是實現任務目標，同時降低成本與風險。這一點至關重要，因為太空任務日益複雜、耗時且成本高昂。

「即使是小型太空任務，也可能耗費數億美元，歷時多年才得以完成。」Microcosm Inc. 總裁暨南加州大學航太學兼任教授 Jim Wertz 表示。

為了說明 SMAD 在節省成本方面的重要性，Wertz 分享了一個關於替換故障衛星的例子。為提前防範衛星失常或故障，公司可採取的其中一項措施，是事先將備用衛星發射到軌道上。然而，若故障衛星所在的軌道與備用衛星相距甚遠，工程師就必須調整備用衛星的軌道，才能完成替換作業。

問題在於，一旦衛星進入軌道，要進行這類操作所需的 delta-V 速度變化量非常大，這則與燃料消耗直接相關。「例如，若要從赤道軌道轉換到極地軌道，所需的 delta-V 甚至比最初進入軌道時所需的還要多。」Wertz 說道。因此，移動備用衛星變得非常困難，甚至可能完全不可行。相反地，「將太空船保留在地面，並具有快速及即時應變能力的發射機制，才是更明智的做法。」Wertz 表示。

SMAD 提供一種方法，能在做出可能耗費數百萬美元的決策前，先行分析類似情境，找出最有效率的執行路徑。

儘管創新者持續突破太空探索的可能性邊界，他們仍需克服 SMAD 各階段中的諸多挑戰。以下是在分析與設計流程中，幾項關鍵挑戰的實例。

1. 發射至軌道：決定最適合實現任務目標的軌道、釐清衛星星鏈的複雜性，以及規劃發射的時機
2. 載具設計：設計能承受太空中嚴苛輻射與熱環境的載具硬軟體
3. 太空運作：動態蒐集運作環境的即時資料，以確保能有效避免碰撞
4. 系統工程與設計參考任務 (DRM)：在系統整體架構中納入所有子系統與運作情境，並考量地形、天氣等因素，以及這些變數之間的交互作用與變化
5. 通訊系統：確保日益複雜的太空任務通訊系統高度可靠，並能在軌道間的太空船彼此及太空船與地面基地之間，實現近乎即時的通訊
6. 酬載設計：設計可支援多樣任務與不同指向方向的酬載裝置
7. 系統測試：盡量減少對昂貴實體測試的依賴，這些測試在地球上往往窒礙難行，甚至根本無法實現

讓 SMAD 更加複雜的一點是，「政府傾向於自行進行任務分析與設計，這使得企業幾乎沒有機會參與或提出建議，」Wertz 說道。這樣一來，也限制了更廣泛社群共同參與、分享意見與合作創新的可能性。

瞭解模擬軟體在 SMAD 中的角色

太空產業中的工程師，在整個分析與設計流程中面臨眾多挑戰。然而，在太空領域，失敗並不是選項。由於實行太空任務所需的時間與成本極高，業界於是承受巨大壓力，必須確保任務設計在第一次就做到正確無誤。太空產業的公司必須投入大量資源，確保的所有設計要素，都有經過完整分析並達到最佳化。

這正是模擬技術發揮關鍵作用的地方。「我現在比以往任何時候都更加依賴模擬與任務建模。」Wertz 說道。有了模擬軟體，工程師可以快速執行所需的分析作業，並在風險更低的情況下完成，遠勝於耗費大量資源在太空執行實體測試。「我可以在較短時間內完成模擬，可能只需幾個月，而且能大幅降低成本。」Wertz 表示。「模擬本身及隨之而來的分析，顯然都帶來了極大的幫助。」

舉例來說，Ansys 研究人員 Jim Woodburn 分享一項常見課題：如何決定在太空船上安裝天線的位置，以便能與地面通訊站進行通訊。若是處理一顆位於 LEO 或地球同步軌道上，而且始終有一側面對地球的衛星，這個問題的解決方案可能相對簡單；但若是其他類型的任務軌跡，情況就會棘手許多。

「不妨想像一個更複雜的情境：太空船在飛往月球途中，必須不斷改變方向，以避免關鍵儀器朝向太陽，或是為了散熱。」Woodburn 說道。「透過 Ansys 模擬軟體，我們可以建構所有這些條件的模型，並模擬各種天線安裝位置，判斷哪些配置在何時可能無法與地面通訊。」模擬能提供的遠不止這些而已。

「我們也可以分析太空船各元件的預測溫度分布、照射在太陽能板上的陽光量，這會影響發電效率，以及可能發生的射頻干擾。」Woodburn 表示。

試想開發一個大型衛星星鏈系統。設計一組大型協同運作的衛星群時，需要釐清以下幾個關鍵要素：

• 任務需求為何，以及星鏈中每個組成部分所具的附加價值
• 如何實現任務目標，以及將採用哪些技術
• 為達成目標所需的涵蓋範圍與時間規劃
• 星鏈要部署在哪些區域，這將影響其功能與輻射暴露程度
• 您的預算規模，以及能負擔多少顆衛星
• 透過多少次發射以部署衛星，以及這些衛星的預定軌道軌跡為何
• 如何避免衛星碰撞
• 衛星壽命終止後的處理計畫為何
• 若有一顆衛星故障，發展了哪些可能的備援機制

有了 Ansys 模擬軟體，工程師能以高效率完成這些關鍵計算，也不會犧牲準確度。例如，模擬軟體能協助計算達成任務目標所需的最少衛星數量，進而節省成本與時間。工程師也能找出最佳飛行高度，同時評估高度選擇所帶來的影響 (例如，高度越高，雖然涵蓋範圍更廣，但延遲時間也更長)，並納入輻射影響 (這會因高度與范艾倫輻射帶的位置關係而異) 等其他因素進行考量。

工程師可將任務候選概況與太空船元件資訊，輸入已驗證的 Ansys 模型中。接著，透過 Ansys 模擬工具產生輸出結果，以利描述系統在特定條件下的運作效能。

這些輸出結果隨後可與任務要求進行比對，並納入反覆進行的權衡分析中，協助高效找出最佳化配置。

當然，這僅是 Wertz 所形容的「我們希望透過更精確的模擬與更複雜深入的太空船建模予以解決的眾多複雜問題」中的一小部分。

星際規劃藍圖：SMAD 的下一步

太空產業商業化的崛起，是驅動多項產業趨勢的核心動力，並將持續對 SMAD 產生影響。

以月球與近月任務為例。除了 NASA 的阿提米絲等政府計畫外，還有許多商業月球任務即將展開。「隨著阿提米絲計畫的推動，我們看到前往月球與近月空間任務的關注度大幅提升。」Woodburn 說道。這些任務正激發商業上的高度關注，Wertz 表示，它們具有短期實現的潛力，並能帶來實際的利潤與收入。

至於 SMAD 在其中的角色，「這類任務所涉及的軌道，通常比近地任務更為複雜奇特，並需要更先進的分析工具，才能善用多個引力天體參與時所產生的低成本軌道連結機會。」Woodburn 表示。

商業化也是現代衛星設計的重要推手之一，這促使業界越來越依賴小型、低成本、輕量化的衛星。此外，自動化技術在 SMAD 中的重要性，未來也可能顯著提升。

「我也相信，我們即將迎接自動化太空船的時代。」Woodburn 說道。「機載運算能力的提升、就地測量技術用於導航，以及基於 AI/ML 的任務規劃與異常處理策略迅速發展，這些趨勢都指出，未來的太空船在執行任務時，將大幅減少對地面操控的依賴。」Woodburn 也分享共乘發射是未來可能更受歡迎的概念，有助於降低發射成本並提升進入太空的可及性。

當評估這些技術是否適用於特定任務時，工程師可以依靠 SMAD 與 Ansys 模擬軟體進行全方位分析，為下一代太空任務注入推進動能。

對於想進入或持續深耕這個領域的人，Wertz 鼓勵您放眼全局，掌握太空產業正在發生的重大趨勢。

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