Adams 仿真帮助好奇号探测车实现完美的火星着陆

       火星科学实验室是一项机器人空间探测任务，于 2012 年 8 月 5 日实现了火星探测车好奇号在火星上的盖尔火山口（Gale Crater）成功着陆。空中起重机的着陆顺序要求探测车在下降时从收起的飞行形态转为着陆形态，从下降段开始放下车轮。在最后的进入、下降及空中起重机着陆阶段，由于其复杂性以及无法从地球上进行人工干预，因此被 NASA 的工程师们称作“惊险 7 分钟”。

       NASA 喷气推进实验室（JPL）的工程师们使用MSC软件的多体动力学软件Adams 对最后的空中起重机着陆顺序进行了仿真。该仿真找出了初始概念设计中的众多问题，并且在工程师们解决这些问题时给予指导，使设计更为扎实可靠。该仿真还被用于验证着陆顺序并确定施加在组件和零部件上的荷载。用于在整个空中起重机着陆顺序中引导任务的控制软件代码被集成到 Adams 环境中，以便验证其性能并进行微调。此次任务的成功证明了这些仿真的准确性。

       复杂的着陆顺序

       与之前的勇气号和机遇号火星探测车相比，好奇号探测车要长两倍、重五倍。在火星上着陆如此之大的有效载荷绝对是个挑战，这是由于火星上的大气过于稀薄，无法保证降落伞和空气动力制动的有效性，但火星大气稠密度的足以导致火箭减速时出现稳定性和撞击问题。此外，好奇号探测车 900千克的重量过于沉重，无法使用空气囊来缓冲着陆冲击。另一项挑战是从火星向地球传输无线电信号需要 14 分钟的行程，这意味着在整个着陆顺序中，飞船必须在不受地球交互式控制的情况下自主动作。

       NASA 的工程师们开发了一个独特的进入-下降-着陆系统来解决这一难题。减速舱含有防热罩、探测车、下降级、后挡板和降落伞，它在进入火星大气之前十分钟与巡航级分离，并将推进器点火，使防热罩朝向火星方向。减速舱在距离火星约 10 千米处将速度减慢至大约每秒 578 米，并在这一位置展开超音速降落伞。

       在约 1.8 千米高度，减速舱飞行速度为每秒 100 米时，探测车和下降级脱落。 下降级将其火箭推进器点火，将速度减慢至每秒不到 1 米，并且用一根 7.6 米的系绳降下探测车，系绳由三条束带和一条向火星表面传送电信号的脐带电缆组成。当束带放线时，探测车的六个机动轮扣锁就位，准备着陆。 着陆后，探测车引爆爆炸装置，启动电缆切割器，使其与下降级分离，下降级在距离探测车数百米远处坠毁。上午 6:33，经确认探测车成功着陆。

       唯一的成功机会

       只有唯一的成功机会。复杂的顺序可以实现完美的工作，也可以导致探测车损毁，产生大量的火星尘埃，使整个任务失败。由于难以在地球上复制火星的重力、大气及着陆条件，因此工程师们无法在地球上进行着陆顺序试验。他们可以测试单个零部件，但唯一能够测试完整顺序并确定单个零部件上荷载的方式就是仿真。编程工程师们一开始便认识到仿真的重要性，并且在整个项目的生命周期中，平均有三人专门从事多体动力学工作。
       对探测车这一仿真中最为关键的部分，进行了高逼真度的建模，其中包括众多具有非线性刚度和阻尼特性的弹性元素。而下降级模型要简单得多，全部由刚性体构成。在项目开始时，采用单独的模型用于探测车的分离、移动布放以及触地阶段。在项目的后期，将所有模型合为一体。组合后的模型在四 CPU 惠普 UNIX 工作站上需运行 17 到 93 分钟。

       针对结构设计确定荷载

       由于需要确保其有能力承受荷载并成功执行任务，同时由于向火星迁移时重量增加会导致高昂的成本，需要最大限度地减轻重量，因此对有效载荷中的每个零部件进行优化设计至关重要。
Adams 被用来预测作用在零部件和组件上的荷载，并且反过来利用这些荷载作为结构分析的输入，对设计进行优化，从而达到能够承受任务荷载的强度，同时最大限度地减小尺寸、减轻重量。建模的原理并不是要试图百分之百地准确预测每个事件，而是要确定有可能出现在每个零部件上的边界极限设计荷载。

       在进行 Adams 仿真之前，JPL 的工程师们认为，所设计的触地期间每秒 1 米的最大速度不会在探测车上产生特别高的荷载。然而，仿真表明荷载要比预期高得多。还有，最初预测当探测车触及火星表面时会呈静态，但 Adams 仿真表明，事实上探测车在着陆时会旋转并摆动。因此对探测车的结构进行了强化以缓解这些问题。
后期的研究也有其他的惊人发现，最初计划布放的探测车车轮和支承对某些探测车零部件产生的荷载甚至比触地还要高。仿真表明，车轮端部会在探测车悬架和车架上产生类似于锤击的冲击。

       JPL 的工程师们通过改变车轮和支承布放的时机而解决了这一问题。通过改变车轮和支承布放的时机，还降低了触地前的摆动速度和摆动角度。

       检查着陆顺序的其他方面

       探测车与下降级分离时，最关键的一点是需要避免飞行器之间的接触。Adams 仿真被用来检查空隙并确保不会发生接触。在最终设计中，间隙非常小，但不会有接触问题。

       飞行控制软件采用 C++ 语言编写。 编写控制器软件的人需要一个详尽的机械模型，以便能够精确地预测系统性能。工程师们采用 Adams 求解程序来编译控制器，从而克服了这一问题。这样就能够验证系统性能并利用详尽的机械模型对控制器参数进行微调。JPL 的工程师们将仿真结果与测试数据进行比对，对 Adams 模型进行验证和更新。

       JPL 的工程师们无法在地球上对大部分关键任务进行测试，因此须依靠仿真来为该任务设计大部分关键硬件和控制序列。仿真结果的精确性和缜密性帮助探测车成功而准确地踏上了这颗红色的星球。