Avio使用MSC Nastran和Actran確保太空發射器的結構可靠度

衛星與我們的日常生活息息相關，在過去幾十年裡，市場需求不斷增長，Low Earth Orbit (LEO, 低軌道) 變得越來越擁擠，為了滿足 5G網路的低延遲與千兆位元連線寬頻要求，需要開發多軌道衛星，這些衛星靠近地球運行，提供比任何衛星都低的延遲數據。

發射低軌道衛星比起其他遠距離運行的衛星更節省燃料，Avio VEGA 計畫來自 European Space Agency (ESA)，旨在發送小型衛星進入 LEO，自 2012 年 2 月以來，已經非常成功地將 20 多個有效載體送入軌道。

在Avio技術團隊克服的多項技術挑戰中，其中之一是確保整個發射器結構與零件的完整性，以提供載體安全環境。事實上，所有的太空火箭發射器都需要承受來自火箭發動機出口氣流與周圍大氣混合產生的嚴重外部壓力載荷。

在這個情況下，聲音載荷對於發射器與其零件的正常運行至關重要，其引發的結構振動與內部噪音會導致電子與機械零件發生故障，就猶如超過人耳承受極限的聲音會造成耳膜結構損壞。

Avio 的工程師使用Hexagon CAE的解決方案：MSC Nastran和 Actran ，來預測整個發射器結構在起飛時的振動聲學響應。計算方法非常簡單，使用MSC Nastran計算發射器結構的模態振型與頻率，再使用Actran建立聲學環境與聲學負載。

VEGA 發射器的上層

發射器由多個艙段組成，每個艙段都有自己的功能與階段性任務。Payload Fairing or Heath Shield(有效載荷整流罩)，安裝在發射器的最後一段，負責提供保護效果。高7.8m、直徑2.6m由鋁板與複合碳纖維板製成，需承受熱負荷、空氣動力學載荷、聲學環境與污染。

為了評估升空階段發射器上段完整的結構響應，Avio在ESA ESTEC大型歐洲聲學實驗室中進行了合格的飛行狀態測試。在測試過程中，標準有效載荷被移除，佈置麥克風樹測量整流罩內部的聲學環境。另外，結構上還裝有多個加速度規。

同時，Avio的工程師使用MSC Nastran建立整個上段結構的有限元模型，計算結構模態振型與頻率，再使用Actran對標聲學測試得到的數據，針對Actran的模擬能力與所需的計算時間進行評估，建立詳細的測試環境模型，包含外部聲場與內部空腔，隨機擴散聲場被加載到周圍的外部流體空間，這種模擬方式準確地還原所有外部與內部的環境，但分析中涉及大量的自由度計算需要依靠RAM容量且計算非常耗時。

新型VEGA C 發射器

新型的VEGA C也使用了聲學模擬手法，用以評估結構的振動響應，特別針對發射器最敏感的零件進行聲致振動分析。分析對象為固體火箭發動機與VEGA C上層之間的各個級間結構(interstages)。

多級火箭每段都擁有自己的發動機與推進火藥，每段都被不同的級間結構分開，負責連接與斷開的功能。該結構對聲振環境非常敏感，因為運載了大量飛行所需的電子設備。

MSC Nastran與Actran的組合用來評估結構的聲振響應(vibro-acoustic response)，其中，功率頻譜密度以315Hz 1/3倍頻的範例示意。

測試SEA 建模功能

除了上述的有限元建模方法，Avio工程團隊也使用Actran Virtual SEA方法針對整流罩結構執行SEA分析。用Actran進行SEA分析可以將有限元模型的振動聲學分析擴展到更高的頻率，而不需用解析關係式建構SEA模型，虛擬SEA方法依賴於現有的低頻有限元模型，因此獲得的SEA結果在低頻/中頻處有效，在高頻和中頻結果之間存在平穩過渡區。

在整流罩結構上比較測試與Actran Virtual SEA結果，並分析不同結構區域的平均振動水平，結果之間的匹配非常好，展示了Actran Virtual SEA的能力，並將進一步應用於未來的發射器結構分析。

Actran SEA 應用案例

車輛: 整車的振動聲學響應和傳遞路徑分析提交為結構和聲學負載。
航太: 機身的振動響應和傳遞路徑分析提交給湍流邊界層或擴散聲場激發；起飛時火箭的有效載荷完整性分析。
造船: 起因於機械噪音和流動引起的振動，導致船上的噪音預測。
鐵路: 列車的客車內，聲學舒適度預測。
越野車: 客艙噪音舒適度預測。

關於Avio

Avio 是一家領先的國際集團，從事航太發射器以及固體和液體推進系統的建造和開發，50多年來累積的經驗與專業知識使 Avio 於固體、液體、低溫推進器與戰術推進器領域位居最前端。Avio 在義大利、法國和法屬圭亞那擁有 5 家工廠，全球擁有約 1,300 名高素質人員，其中約 30％參與研發。Avio 是VEGA 計畫的總承包商，也是 Ariane 計畫的分包商，兩者均由歐洲航天局（ESA）資助。