ANSYS 部落格
July 26, 2023
確保太空飛行安全：太空船飛行中被動安全性的重要性
太空旅行令人嚮往，但探索未知所伴隨的風險卻不容忽視。在太空探索中，確保太空船及其乘員的安全至關重要。雖然主動安全措施扮演關鍵角色，但被動安全功能與分析對於風險降低同樣重要。當兩艘太空船執行會合與近距操作 (RPO) 時更為關鍵。讓我們深入探討 RPO 分析中被動安全的重要性，以及其在保護太空人與寶貴資產方面的貢獻。
以安全為考量設計近距軌道路徑
根據您的角色，被動安全性可能有許多種不同的定義，從避免碰撞到結構遮蔽皆涵蓋其中。目前我們將聚焦在被動安全性中的軌道設計與避免碰撞這兩個面向。在設計近距軌道時，確保衛星之間不會碰撞是首要任務。隨著新型衛星的近距任務日益普遍，這項需求變得更加重要。在一般情況下這已難以驗證，那麼當引擎失效、通訊中斷或衛星進入安全模式時會怎麼樣呢？在這類情況下，瞭解在沒有任何額外輸入或機動操作的情況下，衛星將會前往哪裡，就變得相當重要。在沒有額外機動操作的前提下，衛星之間應不會碰撞，但整個事件過程中，通常仍希望維持一個安全的間距。確保這些限制條件可能是漫長且繁瑣的過程，但 Ansys Systems Tool Kit (STK) 與其 Astrogator 功能可以提供協助。
Astrogator 向來被譽為頂尖的軌道設計引擎，特別適用於 RPO 任務，而它現在內建了被動安全分析工具。在 2023 R2 版本中推出的 Astrogator 被動安全性工具，可用來分析可能出現重大錯誤時的飛行安全性。這能幫助任務設計者驗證其被動安全需求，並確認衛星不會發生碰撞。
被動安全性工具可在 Astrogator 軌道設計之上運行，並驗證您所設計的每一個機動是否符合指定目標的安全需求。在每次機動結束時，它會擷取一個狀態向量並將其向前推進。這種推進不包含任何未來計畫中的機動或姿態變化，因此模擬的是無額外輸入下的自然推進狀態。該推進軌跡可與禁止進入區域或會合需求進行比對，以驗證被動安全性。
進行自動化被動安全檢查
在以下範例中，我們將探討如何將此工具應用於繞特定目標進行強制運動繞行的情境。下圖中，黃色代表預定軌跡，藍色為希望維持距離的禁止進入區域，而綠色曲線則是一個被動安全檢查的範例。
Ansys STK Astrogator 中的強制運動繞行模型
圖中所示的軌道包含超過 40 個機動動作，全部都需要進行被動安全檢查。綠色軌跡顯示其中一個機動的被動安全推進路徑。在此案例中，相關機動已執行，但無法再執行任何額外的機動操作。這導致衛星相對於目標產生倒退漂移。被動安全性工具會自動檢查軌跡中的所有機動，並讓使用者以圖形化方式切換各項結果並分析其結果。下圖展示此任務中被動安全介面的範例。此工具不僅允許使用者指定感興趣的目標與執行者，還可自訂禁止進入區的大小與形狀以符合需求。
STK 的被動安全工具介面
當您執行被動安全分析時，系統會提供一系列輸出結果，例如最小距離，協助您更清楚瞭解每個機動的安全程度。當某處不安全時，系統會明確標示，讓您清楚知道在任務設計中該修改哪些地方。您也可以下載所有分析結果資料，以供後續分析或搭配其他工具使用，這能大幅縮短分析時間，並有助於降低操作期間的碰撞風險。