Разобрав в первой статье «Секрет в двух деталях: как инженеры SpaceX делают невозможное» фундаментальные вещи, благодаря которым SpaceX способна идти на риск и создавать веховой продукт, здесь мы углубимся в детальный технический анализ, который руководит прогрессом Starship. Начнем с разбора того, как контуры Маха влияют на аэродинамический дизайн, а затем рассмотрим моделирование движущегося тела, которое фиксирует динамическое поведение Starship. Наконец, комментарии команды разработчиков предоставят понимание того, как этот анализ превращается в реальные инженерные решения.
Как SpaceX удалось спроектировать решетчатые рули и межступенчатую вентиляцию в сверхкороткий срок и что для этого нужно
Благодаря сочетанию анализа Mach Contours* для прогнозирования аэродинамических эффектов на высокой скорости с данными полета Integrated Flight Test 2 (IFT-2) для подтверждения и уточнения этих прогнозов SpaceX гарантирует, что решетчатые рули имеют необходимое влияние на управление при различных скоростях, а межступенчатая вентиляция безопасно управляет давлением, не нарушая устойчивости полета. Такой подход позволяет максимально точно моделировать поведение систем даже в самых сложных условиях реального полета. Это также способствует минимизации рисков и обеспечивает высокую надежность ракетной системы во время выполнения ключевых фаз миссии.
Ознакомиться с концепцией подхода к анализу и проектированию по межступенчатой вентиляции ракетных носителей можно в статье по ссылке.
Каждое изображение использует цветовую шкалу (от более холодного синего до более теплого оранжевого), чтобы подчеркнуть характеристики потока вокруг аппарата. На первом изображении разгон и верхняя ступень остаются прикрепленными, с относительно равномерным потоком, обтекающим корпус. Среднее изображение показывает начало отделения, когда двигатель верхней ступени зажигается, пока он все еще прикреплен к ускорителю, вызывая четкие аэродинамические эффекты и заметную область перехода между ступенями. На третьем изображении ступени полностью разнесены; можно увидеть ярко выраженный высокотемпературный поток (оранжевая область) вокруг зажженной верхней ступени и отдельное поле потока, окружающее бустер. Градиенты цветов иллюстрируют, как разделение горячих ступеней изменяет распределение давления и скорости в реальном времени, что дает инженерам представление о критических местах под влиянием сложной аэродинамики.
*Mach Contours (контуры чисел Маха) являются визуальным изображением распределения числа Маха в поле потока. Число Маха — это отношение скорости потока к скорости звука в этой среде. При запуске двигателя, особенно для реактивных двигателей, турбомашин или ракетных двигателей, контуры Маха используются, чтобы показать, как изменяется поле потока по мере перехода от состояния покоя двигателя к рабочим режимам. Эта визуализация помогает инженерам понять, как воздух или выхлопные газы ведут себя в двигателе и его окружении в этот критический период.
ЭТАП I. Анализ контура чисел Маха и решетчатых рулей при запуске двигателя Raptor
Анализ дает расчетные параметры в рабочих режимах в контексте высокоскоростной аэродинамики, а именно:
Расположение ударной волны: контуры Маха показывают, где на объекте образуются сверхзвуковые ударные волны, что является критическим для проектирования решетки.
Давление и тепловая нагрузка: при высоких числах Маха местные скачки давления и теплоотдача могут резко увеличиться вокруг выступающих конструкций (например, ребер решетки и вентиляционных отверстий). Контурный анализ Маха точно определяет эти области, управляя выбором материалов и структурного усиления.
Взаимодействие вентиляционного потока: межступенчатая вентиляция должна безопасно выпускать газы, не вызывая вредных возмущений потока. Исследования контура Маха показывают, как сверхзвуковой воздушный поток взаимодействует с выпускаемыми газами, предотвращая потенциальное повреждение, вызванное ударами, или нестабильное поведение в полете.
Для этого класса задач вычислительные сетки состоят из 500+ миллионов элементов. Этот размер сетки примерно вдвое больше, чем в моделировании среды запуска Space Launch System (SLS). На это требовались месяцы и даже годы. Чтобы помочь команде дизайнеров SpaceX перед запуском, это моделирование нужно было завершить за одну неделю.
Эта анимация является отображением распределения контуров Маха во время зажигания двигателя и показывает, как оно влияет на окружающий воздушный поток, и помогает проверить конструкцию Starship для сверхзвуковой работы.
Инженеры SpaceX столкнулись с вычислительным препятствием, связанным со сложной геометрией решетки Starship. Тонкие стенки каждого ребра, большая площадь поверхности и мелкие детали добавили более 50 млн элементов сетки к симуляции — столько, что объединение всей модели превысило текущие ограничения вычислительных систем. Это заставило команду проявить креативность в моделировании и анализе этих критических поверхностей управления, гарантируя, что дизайн Starship останется в допустимом диапазоне отклонения от запланированных аэродинамических характеристик.
Основная цилиндрическая конструкция (синяя) представляет межступенчатую секцию с четырьмя рулями. Цветная карта на поверхности указывает на переменную, связанную с потоком — часто величину давления или скорости, — где теплые цвета (желтый / оранжевый) указывают на более высокие значения, а холодные цвета (синий) указывают на более низкие. Линии черного и красного цветов, отходящие от определенных точек, являются обтекаемыми линиями, иллюстрирующими то, как движется жидкость.
Патенты и материалы, охватывающие создание и расчеты решетчатых рулей, часто обсуждают аэродинамическую оптимизацию. На практике CFD-анализ является ключевым инструментом для моделирования сверхзвуковых и дозвуковых потоков вокруг этих сложных решетчатых структур, проверяя эффективность рулей для управления аппаратом. С одним из таких примеров можно ознакомиться в свободном доступе по ссылке. Для подписчиков научного издания Physics of fluids рекомендуем ознакомиться с материалом о подходе к расчетам решетчатых рулей.
*CFD (Computational Fluid Dynamics) анализ — это использование компьютерного моделирования для моделирования потока жидкости вокруг или внутри физических объектов или систем. Применяя математические уравнения и числовые алгоритмы, инженеры могут предсказать, как такие факторы, как давление, температура и скорость, будут вести себя при различных условиях. Это позволяет получить детальное представление об аэродинамике, тепловых характеристиках или даже химическом смешивании, помогая усовершенствовать конструкции и минимизировать потребность в дорогостоящих физических испытаниях.
Каким образом команде может удаться рассчитать это в такой короткий период?
Для решения такой сверхсложной задачи в контексте сроков, точности и надежности команда инженеров должна выполнить большой комплекс подготовки по адаптации задачи для ее упрощения. В расчете такой системы основным параметром нагрузки для системы, которая будет вычислять задачу, является количество элементов сетки и расчетные условия, которые будут действовать на каждый элемент. Так что пришлось пройти команде SpaceX для выполнения этой задачи?
- Адаптация сетки (mesh*)
Проведенный анализ критических областей на базе результатов предыдущих расчетов позволил адаптировать общее количество элементов, увеличив размер элемента сетки в не критических областях относительно постоянных нагрузок.
Обеспечение высокой плотности на критических областях, таких как пограничные слои, области с высокими градиентами или со сложными начальными условиями течения. С помощью адаптивной сетки или использования «body of influence geometry» (BOI) в пределах рабочего тела на основе нужных параметров.
Интеграция инструментов для автоматического улучшения сетки как «adaptive mesh refinement» (AMR) в решателях CFD, что позволило автоматически уточнять сетку в критических областях.
AMR очень удобный метод адаптации, который может сэкономить много времени инженерам, особенно в простых или приближенных расчетах. С полезной подборкой статей по использованию этого инструмента в различных задачах можно ознакомиться на ресурсе Sciencedirect.
*Простыми словами, сетка (mesh) похожа на цифровую сеть или сетку, которая разбивает 3D-объект или пространство на небольшие простые фигуры (например, кубы, треугольники или другие многоугольники). Эти формы называются элементами, они помогают вычислять воздух, воду или тепло, движутся или ведут себя вокруг или внутри объекта.
- Уменьшение сложности в геометрии
На этапе предварительного проектирования инженерно-конструкторская работа и прикладная расчетная деятельность идут почти параллельно. Поэтому упрощение мелких элементов или сложных частей геометрии, которые существенно не влияют на поток, является базовой необходимостью для упрощения расчетов. Благоприятным условием принятия компромиссов между дизайном, возможностью производства и геометрией для расчетов, которые необходимо согласовывать в короткие сроки и принимать риски, является соответственно построенная структура принятия решений в SpaceX.
- Использование симметрии
Для определенных расчетных случаев, когда модель и условия потока симметричны, симулируется только часть геометрии (например, половина или четверть) и применяются граничные условия симметрии, чтобы значительно уменьшить вычислительный объем.
- Совершенно заданы начальные параметры и методы решения
Выбрана правильная модель турбулентности и сбалансирована плотность граничных слоев.
Геометрия элементов сетки задана в соответствии с ключевыми зонами, например, многогранные сетки обеспечивают точность с меньшим количеством элементов, а тетраэдрические сетки обеспечивают высокое качество для сложных геометрий.
Использованы кластеры высокопроизводительных вычислений (HPC) или облачных вычислений.
- Упрощение физико-механических параметров
Использование физики потока k-epsilon вместо более интенсивных вычислительных моделей, таких как SST или LES. Анализ и понимание зон, где можно опустить дополнительные вычисления теплообмена и многофазную физику для упрощения.
- Настройка параметров симуляции
Тщательно уменьшенное время моделирования и размер шага расчета по времени. Используются большие временные шаги для стационарного или переходного анализа, сохраняя стабильность и методы ускорения конвергенции.
ЭТАП II. IFT-2: Анализ переходных процессов движущегося тела
Анализ и проверка проекта в реальном полете IFT-2 были необходимы по следующим причинам:
Полномасштабные условия: Integrated Flight Test 2 обеспечивает реальные условия — высокие режимы Маха, динамические пики давления и случаи быстрого отрыва ступеней. Эти точки данных важны для проверки того, что ребра сетки и межступенчатые вентиляционные отверстия работают в соответствии с прогнозами моделирования.
Анализ переходных процессов движущегося тела: во время IFT-2 ориентация, тяга и аэродинамическая нагрузка Starship быстро меняются. Ребра решетки должны быстро реагировать, чтобы поддерживать контроль, а межступенчатое вентиляционное отверстие должно справляться с изменением разницы давлений. Измерения летных испытаний подтверждают, способна ли конструкция справиться с этими переходами.
Совершенствование моделей и итерации: анализ после полета либо подтверждает предположения проекта, либо освещает области, требующие совершенствования. Инженеры возвращают данные о фактических характеристиках полета в вычислительные модели, обновляя прогнозы контура Маха и оптимизируя конфигурации вентиляционных отверстий и решеток.
В ходе эксперимента получены данные, отраженные на диаграмме:
Эта диаграмма откладывает давление (в барах) на оси Y против времени (в секундах) на оси X, с временным окном, обозначенным вокруг процесса отключения главного двигателя (MECO) (примерно от 5,3 с до 7,8 с). Отображаются четыре отдельные кривые:
E1 Experimental (E1 Exp.) — показана синей пунктирной линией
E6 Experimental (E6 Exp.) — показана пунктирной красной линией
E1 CFD — показана сплошной синей линией
E6 CFD — показана сплошной красной линией
Анализ диаграммы дает инженерам сравнение между экспериментальными (Exp.) и вычислительными данными гидродинамики (CFD), показывает согласование как в фазе повышения низкого давления, так и в фазе пикового давления. Кривые E1 (синие) демонстрируют особенно близкое соответствие между экспериментальными прогнозами и прогнозами CFD вокруг области максимального давления, что указывает на то, что числовая модель точно фиксирует основные характеристики потока. Между тем кривые E6 (красные) имеют подобную тенденцию, но проявляют более заметные отклонения во время средней фазы снижения, что указывает на некоторые локальные явления потока или граничные условия, которые могут быть не полностью охвачены моделированием, но должны быть учтены в следующей итерации моделирования. Однако общее направление и подобная динамика подчеркивают ценность CFD как инструмента прогнозирования, а также важность постоянного совершенствования для повышения точности в быстро меняющихся переходных условиях вблизи зоны отключения главного двигателя (MECO).
Что говорят сами участники процесса? Как спланировать процесс расчета так, чтобы получить успешный результат в установленный срок?
Джейсон Лиу (Jason Liu), MSFC-ER42 Fluid Dynamics Branch, участник Amentum Space Exploration Group:
«Планируйте заранее. С приближением первого испытательного полета с FITH мы предвидели потребность в значительных вычислительных ресурсах для завершения анализа. Мы работали с NASA HPC, чтобы зарезервировать необходимые ресурсы для соблюдения наших сроков.
Будьте гибкими. Когда наступило критическое время с жесткими дедлайнами, у нас было три человека, которые могли посвятить все свое время завершению и анализу нужных симуляций.
Знайте ограничения ваших инструментов. Размер этих симуляций является предельным для нашего программного обеспечения и высокопроизводительных вычислений NASA (HPC). Разумное использование наших инструментов позволило избежать неудач (например, сбоев в программном обеспечении), из-за которых мы могли бы задержать выполнение установленных сроков».
На сервере технических отчетов NASA можно ознакомиться с первоисточником.
Fail fast, learn faster
Философия SpaceX «fail fast, learn faster» не только ускоряет тестирование, но и стимулирует быстрые итерации в вычислительном моделировании. Применяя быстрые результаты как в эксперименте, так и в анализе, инженеры могут адаптировать параметры моделирования более креативно и эффективно — подход, который в значительной степени зависит от практического опыта. Итерации между вычислениями, анализом и летными испытаниями образуют основу этого цикла разработки.
Каждое новое понимание процессов, полученное в результате моделирования и испытаний, быстро возвращается в модель, совершенствуя ее. Этот итерационный цикл является жизненно важным для создания надежных высокопроизводительных систем, подчеркивая, насколько продуманное принятие риска и постоянное обучение являются важными компонентами текущего и дальнейшего успеха SpaceX.
