猎户座宇宙飞船在SLS火箭的帮助下驶向月球
美国宇航局的阿耳特弥斯计划的目标是长期的月球存在
自1972年以来，人类还没有踏足月球，距今已近50年。但如果一切按计划进行，我们很快就会回来。NASA目前正在研发阿耳特弥斯计划以希腊狩猎女神和月亮女神命名。无人驾驶的阿尔忒弥斯1号任务将测试一种新型火箭——太空发射系统(SLS)。SLS是有史以来最强大的火箭，产生391兆牛顿(880万磅)的推力。
但是SLS只是Artemis技术故事的一部分。在超过30层楼高的SLS之上，将是猎户座，能够携带多达6人前往月球或更远的地方。它的设计是为了保护宇航员免受深空极端环境的伤害。SLS将把猎户座送入月球轨道。
阿耳特弥斯1号是月球探索和未来月球基地建设的重要一步。一年后，阿耳特弥斯2号将与宇航员乘坐猎户座飞船重复这次旅程。2024年，阿尔忒弥斯三号将搭载第一位女性和第一位有色人种前往月球表面。未来的阿尔忒弥斯任务将在月球上建造基础设施，实现探索、工业、创新，并展示将我们带到火星的能力。
希腊女神阿耳忒弥斯比她的双胞胎兄弟阿波罗早出生，但美国宇航局的阿耳忒弥斯比阿波罗更年轻，也更聪明。1969年将人类首次送上月球的阿波罗11号上的计算机有4千字节的RAM。最新的iphone拥有100万倍的容量，而用于开发和运行Artemis软件的电脑拥有更多的容量。这不仅仅是记忆的问题。工程师们有了新的工具套件，可以帮助他们更聪明地工作，简化设计过程。
美国宇航局太空发射系统的艺术家插图。(图片来源:洛克希德·马丁公司)
引擎盖下
大学毕业后，Hector Hernandez加入了公司洛克希德·马丁公司去研究猎户座。“我们正在寻求在月球上建立长期的存在，”他说，“为了迎接更大的挑战，也就是去火星。”这才是我们真正感兴趣的地方。”
埃尔南德斯是猎户座动力系统的首席分析师。他的团队使用软件对所有硬件进行建模，以便预测和避免任何错误。他说:“我们正在确保与系统相连的所有组件以及系统本身都能很好地协同工作。”
“我们希望在月球上建立长期的存在，以便为前往火星的更大挑战做好准备。这才是我们真正感兴趣的地方。”
赫克托·赫尔南德斯是美国宇航局猎户座动力系统的首席分析师
电力系统包括电池、太阳能电池板、计算机、电线和连接(节点)。任务的成功和机组人员的生存取决于电力质量——确保所有组件接收的电压都在正确的范围内，并避免电压中出现明显的“波纹”。模型帮助团队决定不同元素之间的大小和连接。模型还可以帮助他们监控任务并做出关键决策。如果实际航天器出现故障，他们可以模拟故障并观察模型如何反应，向任务操作员建议他们是否应该中止任务或采取其他步骤。
Hernandez也使用Simulink®利用该模型，他开发了一个名为航天器动力能力(SPoC)的模型。他使用Simscape Electrical™创建了模型中的许多块，该模块对电气系统的物理进行了建模。有电池块，太阳能电池块等等。以前的做事方式是使用微软®Excel®电子表格。埃尔南德斯仍然使用这些方法来快速回答一些问题，但它们不能模拟多节点系统，其中有几个电缆连接。“当我们试图回答更复杂的问题时，SPoC就出现了，”他说。
在美国宇航局肯尼迪操作和检查大楼的猎户座飞船。(图片来源:洛克希德·马丁公司)
而且，他补充道，“我个人是个喜欢拍照的人。”拖动盒子可以直观地感受到所有东西是如何连接的。Simulink避免了处理大量低级代码的需要。它还使模型更易于理解，并允许创建者在块中隐藏某些IP。“它只是把很多肮脏的东西藏在引擎盖下，”埃尔南德斯说。
到目前为止，SPoC已经通过了所有的性能评估。它的行为与猎户座的实际情况相符。每当研究小组从猎户座获得实际测试数据时，他们就会用这些数据来调整他们的模型。“我的下一步是成功完成阿尔忒弥斯一号任务，”他说。“那我们接着讲阿尔忒弥斯二世吧。”
故障管理是NASA的关键任务
在通往月球的路上，很多事情都可能出错。在设计SLS时，NASA的工程师和科学家创建了一个软件模型来模拟关键任务算法，该算法监测航天器的潜在故障，这些故障可能对设备和最终的机载人员造成危险。
根据SLS团队的科学家和工程师发表的一篇论文，任务和故障管理(M&FM)算法的可靠验证是任务成功的核心。该团队在论文中描述了他们的设计过程。”在状态流环境中建模以支持NASA空间发射系统中任务和故障管理算法的运载火箭验证测试．”
该文件指出，“防止在任务(包括故障)管理系统中发生错误是M&FM测试团队为SLS项目的FSW(飞行软件)实施工作的安全关键系统算法的中心主题。”
火箭内部可能会出现很多问题，包括可能对火箭或运载人员造成致命伤害的错误。阿尔忒弥斯M&FM团队的工作是为火箭开发软件算法，以筛查任何异常。然后地面控制小组可以决定是否，例如，停止发射序列或中止整个任务。
Artemis M&FM团队没有在真正的火箭上开发和测试算法，而是创建了一个名为状态分析模型(SAM)的SLS软件模拟。一旦他们对虚拟火箭上的故障监控算法的性能感到满意，软件开发团队就会用一种可以上传到SLS的语言对它们进行编码。
该团队模拟了每一个航空电子设备组件。这是一个字母汤的组件。例如，有一个配电和控制单元(PDCU)，一个装有其他单元(如冗余惯性导航单元)电气开关的盒子;液压动力单元(HPU);以及TVC执行器控制器(tac)。tac接收来自PDCU的电力，然后通过液压控制推力矢量控制(TVC)执行器，从而瞄准发动机。其他单元控制发动机的泵和阀门。
理论上，M&FM团队可以创建整个物体的详细物理模型，但运行速度会很慢。相反，他们使用的模型类似于用线连接的盒子，在statflow中构造®．该模型称为状态机，每个框表示系统某些方面的潜在状态;一个盒子可能表示阀门是打开的，另一个盒子可能表示阀门是关闭的。这些线表示由指定事件触发的状态之间的转换。看看盒子里面，你会看到一些用MATLAB写的代码®或者Simulink软件中的图形模型，描述状态并将信息传递给其他组件。
SLS是一种先进的重型火箭，将为科学和人类探索提供新的能力。(图片来源:NASA/MSFC)
状态流图描述了系统的逻辑。状态流和Simulink模型都类似于由线连接的盒子，但在不同的级别上起作用。MathWorks的空间部分经理奥西·萨雷拉(Ossi Saarela)说:“假设你在街上走，走到一个十字路口。Stateflow将决定你是向右走还是向左走，Simulink将帮助你保持平衡。”
该团队还有一个基于物理的模型，系统集成实验室(SIL)。根据NASA的论文，“SIL是一个高保真的测试平台，将实际飞行软件与真实和模拟SLS硬件和环境相结合。”
但是M&FM团队需要这两种类型的模型。SIL拥有与火箭相同的软件和航空电子设备盒，甚至有相同长度的电缆，所以它有更高的保真度。通过比较模型，他们可以使用SIL的输出来改进SAM。
M&FM团队必须找出正确的脚本来优化SAM的速度。他们需要决定尝试哪些测试用例，以及如何确定系统是否通过。现在他们可以在SAM上快速迭代，SAM就像一个“水晶球”，告诉他们可以从SIL中期待什么。论文指出，SAM大约需要120秒在标准PC上执行一个候选任务发射配置文件的运行。在运行了许多测试并通过了几个里程碑之后，该团队发现，在大多数情况下，SAM的结果与SIL的结果非常匹配。
另一个史诗般的事件是高温测试，NASA将火箭绑在地面上并点燃发动机。
Saarela说:“当这些引擎点亮时，你在几英里外就能感觉到。”“有大量的能量被释放出来，能够提前预测每个组件的确切行为是关键。”
该团队的研究成果可以应用到其他地方，因为美国宇航局即将开展许多令人兴奋的项目。
萨雷拉说:“像阿尔忒弥斯的人类着陆系统，甚至火星上升运载火箭这样的新设计，肯定会受益于SLS上使用的新工具和工艺。”“航空航天工程正处于一个快速发展的时期。”
航天器的自动驾驶仪
NASA不仅使用软件模型来测试算法和模拟硬件，而且还为太空舱生成实际代码。制导、导航和控制(GNC)基本上是航天器的自动驾驶仪，集成传感器数据并规划其轨道。过去是由GNC设计人员编写需求，软件工程师使用需求编写最终代码。新的方法是使用基于模型的设计。设计人员无需编写静态规范，而是构建一个可执行的模型，这样他们就可以快速测试和迭代。然后软件会自动将该模型中的算法转换为最终代码。
Orion的GNC设计师使用Simulink。他们可以将Simulink模型插入美国宇航局的高保真软件Trick中，该软件模拟宇宙飞船，并定义其在太空中的运动。一旦他们对模型满意，嵌入式编码器®生成c++的控制代码，他们也可以插入到Trick。MATLAB可以检查Simulink模型和c++代码，以确保它们做完全相同的事情。然后，c++代码将被加载到航天器上。
基于模型的设计节省了时间，因为人们在开发算法时不需要手动编写和重写代码。它还减少了低级编码错误。这使得算法更容易检查。计算机现在已经聪明到可以驾驶火箭了，而且编写的代码也聪明到可以驾驶火箭了。
使用基于模型的设计，设计人员无需编写静态规范，而是构建一个可执行的模型，然后软件自动将该模型中的算法转换为最终代码。
猎户座飞船。(图片来源:洛克希德·马丁公司)
根据美国宇航局“通过阿耳特弥斯任务，NASA将让第一位女性和第一位有色人种登陆月球，使用创新技术探索比以往更多的月球表面。我们将与商业和国际伙伴合作，在月球上建立第一个长期存在。然后，我们将利用我们在月球上和月球周围学到的东西来实现下一个巨大的飞跃:将第一批宇航员送上火星。”
去月球!
2022年11月出版
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