VEGA发布。图片信用：ArianEspace。
当火星竞赛成为头条新闻时，另一场正在进行的太空竞赛将塑造数字时代和世界连接的方式:卫星。卫星对我们每天使用的许多服务都至关重要，从定位跟踪GPS到5G网络的高速通信。在太空中部署了2000多颗现役卫星，其中许多卫星生活在离地球表面非常近的近地轨道(LEO)。
在过去十年中，由于需要更快的网络和更大的连接，对Leo卫星的需求越来越大。例如，诸如欧洲航天局（ESA）哥白尼的地球观测计划需要能够采取连续和高质量的图像来提供准确的地面监控信息。Leo Satellites在实时向观察者提供这些数据至关重要，并且其发射也比其他卫星更昂贵，而且需要更少的燃料。
然而，发射进入这个轨道需要大量的技术精度。ESA的卫星发动机，VEGA由Avio使用MSC软件提供的仿真工具专门设计，这些工具是六角形制造智能部门的一部分，将小卫星发送到Leo。自2012年2月的少女航班以来，小型和灵活的Vega发射器已成功地运到20艘航天器进入轨道。Vega Launcher，Vega-C的下一阶段已获批准并正在进行中。
声学挑战
在Vega设计的许多技术挑战中，最重要的是确保其结构的完整性，并为其货物提供安全的环境：卫星有效载荷。发射器在剥离时受到严重的条件，从炽热到巨大的大气压力，但声载是最关键的。发射器在点火期间产生的噪音，剥离和飞行中的噪音会导致振动并导致发射器及其货物中的电子和机械部件发生故障。
为了确保这种情况不会发生，Avio的工程师使用了计算方法来预测声音如何在剥离时影响结构。借助计算机辅助工程（CAE）解决方案，MSC Nastran和Actran，他们能够为结构模拟创建准确的有限元分析（FEA）平台。这些仿真工具跨越各种行业，从航空航天到医疗技术。
Avio使用Nastran计算VEGA结构的自然运动，并应用Actran对该结构的声环境和声载荷进行建模。
级间响应图。
VEGA发射器上阶段的声学分析
Avio Vega和Vega-C发射器由多个阶段制成，每个阶段都在发挥关键作用，并且在飞行之前需要广泛的测试。安装在发射器的上阶段内的有效载荷整流罩负责保护航天器。它是由复合碳纤维增强聚合物板制成的锥形，可保护航天器免受发射的影响。它从大气湍流和加热屏蔽它，而发射器通过地球的大气，保护它和从破坏性声音的损坏后的有效载荷。
为了评估VEGA上一级的完整结构响应，在欧洲航天局的大型欧洲声学设施进行了实验声学测试，该设施可以模拟起飞时的噪声。在测试期间，测量了有效载荷整流罩内部的声环境，并使用MSC Nastran创建了整个上层结构的有限元(FE)模型。
第一步是评估有效载荷整流器的一般行为，同时忍受外部声学负载。进行了一项研究以评估Actran提供的不同模拟机会以及开发新发射器时所需的计算时间。
在第一模拟中，使用由声学测量所获取的数据直接施加漫射声场（DSF）激励，以在经受声学压力时在发射期间测试航天器的结构完整性。这种快速且有用的数字策略提供了对结构振动的洞察力，但它无法模拟结构内的声压以及影响它的影响，因为整流罩的内部和外部声学环境未被建模。
为了克服这种限制，执行第二模拟以探索内部声腔。整个结构中加入整个结构的Fe模型，并研究了两种可能性：具有模态成分的混合溶液和作为物理成分的空腔，以及具有结构部件和声腔的完全模态溶液作为模态组件。后一种解决方案证明是更灵活和多功能的。
进行了最后的模拟以提供测试发射器的非常详细的重建。这种广泛的模拟允许对外部和内部环境进行精确建模。尽管如此，由于涉及分析的自由度，它在内存、(RAM)能力和计算时间方面的要求非常高。
新的VEGA-C发射器
一旦VEGA通过这些测试得到验证，同样的声学模拟方法也被用于评估新的VEGA- c结构的振动声学响应。VEGA-C将能够容纳更大的有效载荷，如超过两吨的地球观测卫星。Avio的工程师分析了它最敏感的部分:固体火箭发动机和上一级之间的级间。
级间结构连接多级火箭的各个部分。他们还负责发射后各阶段的分离。这些结构很容易受到振动声学的影响，因为它们包含了火箭的很多电子设备，所以MSC Nastran和Actran的相同组合被用来评估它们的响应。
级间结构的一个例子是有效载荷适配器，将卫星连接到发射车辆。VEGA和VEGA-C发射器的启动器非常灵活，因为它们能够容纳不同的有效载荷适配器，允许它们根据不同的配置携带多个有效载荷。然而，随着有效载荷适配器有助于发射系统的整体刚度，它们可能受整体腔内的共振受到严重影响，因此预测它们将受到影响的振动非常重要。因此，分析考虑了内部有效载荷，模拟了它们与发射器结构和声腔耦合的。
外部和内部声学域与相关的麦克风和测点。图片来源:株式会社。
测试新的建模能力
除了上述FE方法外，Avio的工程团队还使用Actran的虚拟海方法进行了有效载量公平的统计能量分析（海）。该方法允许工程师预测声音和振动如何通过结构，尤其是在噪声可以更加渗透的较高频率下。依靠以前的FE模型，在Actran中实现的虚拟海采方法通过将它们扩展到更高的频率而不需要专业的海洋专业知识，实现了现有的FE模型的高效vibro声学分析。此外，随着虚拟海方法依赖于现有的低频FE模型，海洋效果在低频和中频都有效，并在中间和高频结果之间提供平滑的转换。
当比较可用的物理测量和Actran虚拟海洋的情况下，工程师发现这两个结果都相似，展示了这种解决这种分析的新方法的潜力。此外，Actran和虚拟海方法提供了一个统一的环境，其中工程师可以通过完整的频率范围来解决它们的振动声挑战，并使用多个工具进行低，中频和高频分析。该方法已被用于VEGA-C的进一步结构分析。
利用MSC软件的解决方案——MSC Nastran和Actran——Avio的工程师能够预测噪声振动对其发射装置VEGA和VEGA- c的结构完整性的影响，确保这些发射装置的关键部件能够承受发射和发射的极端压力。
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