美国宇航局肯尼迪航天中心的猎户座地面测试飞行器。在飞行器的底部可以看到圆形隔热罩。图片由NASA提供。
在发射过程中受到发射火箭外壳的保护，NASA的猎户座多用途载人飞船(MPCV)必须在任务结束时自己返回地球。为了保证太空舱和宇航员在巨大的再入和溅落载荷下的安全——温度超过4800华氏度，速度高达每小时25,000英里——16.4英尺。直径烧蚀热保护系统用碳石墨和钛载体结构固定在MPCV的底座上。
当隔热板达到极高的温度时，它的一部分会从飞行器上脱落，以去除过多的热能。剩余的运载结构必须在撞击水中存活下来，以帮助保持太空舱完好无损。
2012年夏末，美国宇航局猎户座项目的首席工程师朱莉·克雷默(Julie Kramer)联系了航天局的工程与安全中心(NESC)，要求提出一些如何减轻飞船质量的新想法。NESC的任务是对NASA的高风险项目进行增值的独立测试、分析和评估，以确保安全和任务的成功。
(上)猎户座多用途载人飞船溅落测试和(下)在高动态事件中对飞行器载荷的软件模拟。
如何减轻负担
重约3000磅，“基线”复合材料和钛设计的马车轮形载体结构，支持MPCV的热保护系统，是乘员模块最大的组件之一，也是减重的主要目标。
设计团队，包括Mike Kirsch, NESC的猎户座隔热罩航母结构评估团队的项目经理和首席工程师，以及结构设计与分析公司的总裁Jim Jeans，使用了Collier研究公司的HyperSizer。
HyperSizer是NASA首次商业化的软件，它可以分析应力，优化尺寸，并减轻飞机、风力涡轮机叶片和其他结构的重量。无论是采用复合材料还是金属材料设计，HyperSizer的典型优化均可节省25 - 40%的重量。
交替结构概念
隔热罩的基本设计包括一个坚实的层压碳石墨皮，由一个轮辐状钛工字钢结构的载体结构固定在胶囊上。碳石墨设计是可定制的，在最终制造过程中可以继续进行修改。最初的目标是减掉800磅，NESC团队考虑对基线进行材料和结构上的修改。
克尔希说:“我们需要设计出一种更轻的结构，它仍然可以承受地球大气层再入时的气动压力，并支持热保护系统，这样隔热罩中的烧蚀材料就可以发挥作用。”“重返大气层是一个相当严重的负荷情况。但更重要的是乘员舱什么时候下水。水上着陆是驱动隔热罩载体结构设计的事件。使用降落伞，我们试图在撞击前尽可能多地释放能量，这是一个棘手的，基于风和波浪条件的动态情况。理想情况下，你希望胶囊像刀一样插入，而不是腹部下沉。设计必须对各种可能的风浪条件具有健壮性。”
HyperSizer评估了隔热罩载体结构的不同结构概念。基线复合材料皮肤钛I stringers(左图底部)与交替金属网格加强设计(右图，顶部和底部)进行了评估。
该团队开发了一系列分析模型，以预测防热罩载体结构作为一个整体和内部支撑网在一系列溅落场景下的反应。着陆仿真在LS-DYNA瞬态非线性有限元分析(FEA)求解器中进行。动态着陆模拟被加载到HyperSizer中，然后控制每个模型中的相关参数(如材料厚度和加强筋位置)来优化，然后比较不同的设计。
“因为HyperSizer可以同时评估影响设计的变量的不同组合，所以它可以快速识别出那些质量最低的配置，”Kirsch说。“我们可以考虑不同的解决方案，材料，布局——在这种情况下，正交模式——高度和密度。”
该软件显示汇总图像，显示临界负载情况，安全边际或故障模式。“从展示的角度来看，这是非常强大的，因为它使设计师和专家能够轻松地将正在发生的事情可视化，”Jeans说。“对我来说，改变游戏规则的是能够在不同的施工方法之间进行交易，进行苹果与苹果的比较。我们可以研究不同的配置，并确信我们做出了正确的选择。”
“HyperSizer使我们能够快速研究大约40种不同的变化，”Kirsch说，“研究了钢、铝、不锈钢、钛、碳石墨、蜂窝系统、t型加强、i型加强等等。在十周内，我们已经确定了六个最小质量配置的候选产品，大大超过了我们最初减少800磅的目标。”
特写(左上)显示了组成最终NESC隔热设计的皮肤的钛正交网格的细节(右下)。
科利尔研究公司的结构工程师詹姆斯·安斯沃思(James Ainsworth)说:“评估的着陆模拟类似于一场车祸，一辆汽车以高速撞向某物，整个事件发生在几毫秒内。我们的软件允许团队评估每个时间步骤的应力和应变，并使用这些数据进行详细的尺寸和最终分析。”
“客观地说，”安斯沃思继续说，“每一次着陆事件都有大约12gb的数据，我们研究了大约50次着陆事件。”
当乘员舱撞击水面时一波高应力穿过隔热板。首先在LS-DYNA中进行着陆模拟，然后HyperSizer导入每个动态毫秒时间步的内部载荷。
NESC对候选隔热罩进行的瞬态动态分析是HyperSizer Version 7的新功能。“当你有非线性材料和几何响应(如材料塑性和塑性弯曲)时，我们为负载重新分配提供了新的分析方法。HyperSizer还通过处理每个着陆模拟的数千个时间步骤来处理动态着陆事件。”
NESC团队考虑了与乘员模块骨干分担负载的替代设计，用h型钢结构替换现有的马车轮桁，或者将复合碳石墨蒙皮换成钛正交蒙皮。他们最终提出的方案是钛正字型。
NESC从HyperSizer分析中获得的见解在讨论中得到了启发，导致基线设计的最终重量减少了23%，减少了数百磅的重量。
美国国家航空航天局
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