Intuitive Machines 如何為月球南極帶來曙光

我們有多瞭解月球？如果您問月球地質學家，他們會告訴您，我們還有許多尚待探索的地方，特別是月球南極區域。這個區域可能存在水源，引起科學界與商業界的高度關注。月球上的水 (或水冰) 可以融化，甚至進一步分離成氫與氧，為太空人提供關鍵資源。

然而，想確認該區域是否存在水冰，並進一步找出其位置，並非輕而易舉的事。除了登月這項本身就極具挑戰性的任務外，月球南極的地形更是險峻異常。南極地區布滿了深邃的隕石坑。其中的大多數地區，長期處於黑暗又極度寒冷的狀態，讓登陸、研究與導航變得更加艱難。該區域可能存在的月震與斷層，讓挑戰難度進一步提升。

為了克服這項挑戰，需要全新的創新技術，而 Intuitive Machines 正是積極投入這個領域的公司之一。Intuitive Machines 的使命之一是提供開拓月球探索的服務，他們於是研發了多項技術，包括 Nova-C 等級的月球登陸器，協助公司完成了首次商業登月任務，同時也創下美國 50 多年來首次重返月球的紀錄。

Intuitive Machines 團隊還研發了 µNova Hopper，這是體積如小冰箱般的推進式無人機，可從他們的登陸器上部署。這項技術旨在探索月球神秘的南極區域，並尋找如水冰等資源。

「µNova Hopper 是專為承受月球南極的嚴苛環境而設計。」公司月球數據網路首席工程師 Jason Soloff 如此說明。這款躍行探測器的設計目的是穿越月球南極的深坑，並在無法通訊的情況下自主執行任務，接著返回山脊以傳回蒐集到的資訊。

工程師與研究人員希望透過這項技術的新一代版本，能夠拍攝月球南極的照片且鑽入表層風化層，研究其成分並學習如何搜尋水的跡象。透過這樣的方式，Intuitive Machines 的工作有望為探索月球水資源及其他資源的長遠目標做出貢獻。

「如果我們能鑽入月球表層，並驗證該處是否存在水、以及水含量有多少的理論，那將是非常令人振奮的發現，因為這將開啟在月球建立基地，甚至設置補給站的可能性。」Intuitive Machines 航電工程師 Jordan Reynolds 說道。

如今，Intuitive Machines 團隊正在準備第二次任務，然而，這並非該公司目前唯一正在進行的計畫。

推進月球科技發展

登陸月球南極不過是 Intuitive Machines 多項目標之一。「Intuitive Machines 是一家多元化的太空公司，我們致力於推進技術發展，改變太空經濟的運作方式，藉此為全人類開啟太空的新篇章。」Soloff 表示。

例如，Intuitive Machines 致力於透過為 Nova-C 登陸器使用Methalox引擎，使太空經濟變得更永續。Methalox 是一種由液態甲烷與氧氣構成的潔淨燃料。由於該燃料可能利用月球與火星上發現的資源在地生成，因此同樣受到太空產業的關注。如果人類能夠在月球南極找到水，並將其用來製造燃料，「那將會是最關鍵、也最令人興奮的科學突破。」Reynolds 強調。Intuitive Machines 在推進系統方面取得了重大進展，Soloff 分享近期的 IM-1 任務，是人類首次在深太空中重複點火使用Methalox引擎。

在通訊方面，該公司也提供一項經過驗證的地月通訊解決方案：Lunar Data Network (LDN) 月球資料網路。該網路透過其月球任務控制中心、全球部署的天線網路，以及即將發射的月球資料中繼衛星，支援執行近太空任務。隨著未來幾年預期將有大量衛星進入太空，地月空間對通訊基礎設施的需求也將日益增加，而 LDN 正是為了滿足這項需求而誕生。

除了地月空間外，Intuitive Machines 的長期計畫更延伸至火星。為了順利實現這些專案與技術，Intuitive Machines 團隊必須對所有設計進行嚴格測試，讓其能適應太空中的惡劣環境。為了達成這個目標，團隊仰賴 Ansys 模擬軟體的協助。

以模擬軟體瞄準月球

作為一家資源與人力都有限的小型新創公司，Intuitive Machines 發現模擬技術對於成功發展至關重要。

「模擬對我們來說是一種倍增力量的工具。」Soloff 說道。「模擬讓我們可以非常快速地嘗試各種不同的想法。」透過模擬，Soloff 和他的團隊能夠更迅速輕鬆地測試解決問題的方法，徹底激發他們的創意。像是使用不同著陸裝置設計或雲台等「假設」情境，都可以在虛擬環境中進行測試。接著，工程師可根據模擬分析產生的資訊，輕鬆掌握改變這些變數，將會如何影響設計中的關鍵面向，例如整體應力、負載與熱效能。

至於 Intuitive Machines 團隊在哪些階段使用模擬，Reynolds 表示，他們會在整個任務期間，運用 Ansys 模擬軟體執行必要分析與測試。以初期設計階段為例。Soloff 在此強調，降低質量對於太空技術來說非常重要。其他要求還包括確保機器能承受發射時的強大施力，以及任務期間經歷的極端高溫與低溫，當太空船一側曝曬在陽光下，另一側則處於登陸器的陰影中時，會出現這種情況。透過模擬，團隊能針對所有這些要求進行最佳化。「我們的分析協助我們在熱管理與電源配置上，設計出能承受極端溫度變化的系統。」Reynolds 說道。

為了進行這些計算，Intuitive Machines 倚賴 Ansys Systems Tool Kit (STK) 數位任務工程軟體。該公司運用這款軟體的一種方式，是模擬太陽光線何時會照射到登陸器與跳躍探測器，以及機器何時會處於無光照狀態。這項關鍵知識在地球上很難透過實體測試重現。此外，透過模擬，Intuitive Machines 團隊能執行熱分析，觀察熱如何在複合材料中傳遞，這在手動計算上是一項非常耗時的工作。事實上，Soloff 表示：「以我們目前的時程來說，我會說幾乎不可能靠手動完成。」。「所以，我們非常依賴模擬工具的分析，而 Ansys 軟體套件在這方面的表現非常出色。」

Ansys 模擬軟體之所以對團隊如此實用，其中一個原因是具備多重物理量的功能。「Intuitive Machines 正在處理的是極其複雜的多重物理量問題，而不僅僅是天線圖樣，或是振動或衝擊的結構分析。」Soloff 表示。「這是關於透過一套整合建模與模擬的工具，把這些學科全部整合在一起，讓我們能完成需要做的事情。」

確保其通訊系統功能正常且達到最佳化，是這個團隊使用模擬技術的另一項關鍵目的。在這方面，Intuitive Machines 仰賴 Ansys 模擬處理各種任務，包括確保天線方向正確，到比較不同地面站與無線電所產生的傳輸量與頻寬等。

為了執行這些通訊分析，團隊再次採用了 STK 軟體，藉此分析通訊強度、可傳輸資料量、預測訊號雜訊、訊號強度等各項關鍵指標。Soloff 分享模擬軟體與建模功能，在進行複雜的電磁分析時，確實提供了極大的幫助。舉例來說，該公司使用 Ansys HFSS 高頻電磁模擬軟體與射頻 (RF) 模擬技術，以分析及最佳化天線、輻射波束圖與通訊所需的電磁輻射。

這些還不是 Intuitive Machines 利用模擬技術改進其技術的唯一方式。照片是該公司不可或缺的重要資料點，尤其是有關月球南極的照片。因此，Reynolds 表示他的團隊特別著重於運用模擬軟體，確保在任務期間能成功蒐集並傳輸這些影像資料。透過模擬分析，我們得以與通訊服務供應商協調，找出最適合此次任務的服務方案。

「要讓某件物品登陸月球，需要龐大團隊投入心力。」Reynolds 表示。「因此，能運用模擬為一項全球性任務做好準備，確實很有幫助。」

「STK 軟體不僅能同時執行各種分析，還能在高度動態的任務條件下維持其效能。」Reynolds 說道。「在像 Intuitive Machines 執行的外太空任務中，光照、溫度、速度、輻射模式、地形、軌跡和訊號強度等條件，都可能迅速改變。STK 軟體可讓工程師建模這些變化，並將整體任務納入考量。例如，我們在著陸後不久，便使用 STK 的地形建模與通訊建模，瞭解著陸器在歷經動態著陸後，與地球、太陽及月球系統之間的相對位置。」

在 Intuitive Machines 使用模擬軟體的各種領域中，團隊發現效率提升是共通的關鍵因素。「若不使用模擬工具，有些分析可能需要花上數週才能完成，但透過 Ansys 軟體，現在只需要幾天就可以結束。」Soloff 說道。這一點極為重要，因為團隊往往無法花上幾個月的時間解決問題；相反地，他們經常需要在短短幾小時甚至幾分鐘內，就找到解決方案。在這類情況下，Intuitive Machines 能運用經過驗證的 Ansys 模型迅速找到答案，並據此做出決策。這一點甚至適用於極具挑戰性的計算，例如準確解出地球、太陽與月球三者如何共同影響任務的三體問題。

這種速度甚至可以延伸至在任務期間，做出即時且有根據的決策。例如，Reynolds 正在開發一套即時模擬系統，「我們可以在任務進行期間，導入取自登陸器的遙測資料，利用 STK 軟體進行模擬，並開始在執行任務時，著手可視化與取得情境感知。」他說道。這樣的作法相當有助益，因為研究人員能透過模型，迅速掌握任務狀況，無須費時在螢幕上解讀與理解資料內容。如此一來，若發生突發狀況，他們就能更快因應。

當然，如果缺乏準確度，再快也無濟於事，這也是 Intuitive Machines 團隊始終選擇仰賴經驗證技術的原因。「我們從這些工具中得到的不只是時間，還有對分析結果的信心。」Soloff 說道。透過 Ansys 模擬軟體，Intuitive Machines 能在不犧牲準確度之下節省時間。如此一來提升了效率，讓公司能將心力與有限資源，重新分配至任務中的其他部分。「沒有建模與模擬，我們根本無法完成目前正在做的事。」Soloff 表示。

透過模擬，「我們可以進行全面建模，有信心知道我們無需再花一年的時間微調技術。」Reynolds 說。這可以為 Intuitive Machines 一類的新創公司，省下了寶貴的時間，讓他們能在更短時間內提升自我競爭力，並為任務做好萬全準備。

太空的未來

我們對所處宇宙抱持的好奇心，是許多人之間的共同思緒連結，不論是夏夜裡仰望星空的一家人，還是致力於太空研究，將其視為職業的專家學者。

「太空是偉大的未知，」Reynolds 表示。「可以瞭解到我們在太空中能獲得哪些宇宙相關知識，以及人類已知與未知的事物，真的令人無比振奮。」Intuitive Machines 從事的工作，正是協助解開這些宇宙謎團。

此外，雖然地球上的資源有限，「整個太陽系卻蘊藏著豐富資源。」Soloff 表示。其中一項資源是 Intuitive Machines 團隊正在月球南極尋找蛛絲馬跡的水冰。Intuitive Machines 團隊期望透過找到這類資源的所在，讓其工作有助於尋找探索太空奧秘所需的重要資源。

深入瞭解 STK 軟體如何協助執行太空任務。