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火箭設計的關鍵挑戰:準確預測落點位置

在火箭設計中,準確預測火箭的落點位置是至關重要的挑戰。這對於確保安全、避免財物損害,甚至提升火箭回收與數據取得率都具有重大意義。解決這一挑戰,對於提升火箭發射的可控制性和精度至關重要。

面臨的挑戰:

  • 自由曲面尾翼設計複雜
    自由曲面尾翼的設計需要進行複雜的流場分析,這要求對每個細節進行精確的計算和模擬。
  • 降低尾翼阻力
    為了提升飛行效率,尾翼的幾何設計需要進行精細優化,將尾翼的空氣阻力降到最低。
  • 多變飛行姿態條件
    由於飛行過程中火箭的速度與姿態(如俯仰角、滾轉角等)持續變化,因此需在多種飛行條件下進行空氣動力模擬。透過 ANSYS Discovery 可快速進行初步流場分析,協助工程師及早掌握潛在設計問題。

圖/取自ANSYS BLOG

圖/取自ANSYS BLOG

解決方案

  • 空氣動力學模擬與可視化
    使用壓力等高線圖與流速向量圖來掌握流場變化,並評估設計對空氣動力的影響。
  • 設計更高效的自由曲面尾翼
    基於流場分析,設計出更小、更高效的自由曲面尾翼,提升飛行穩定性與效率,並通過 ANSYS Mechanical 進行結構和振動模擬,確保穩定性。
  • 渦流可視化
    運用 Lambda2 判準可視化移動翼面產生的渦流,幫助進一步優化尾翼設計,減少不必要的空氣動力損耗。
  • 自動化模擬流程
    配合 PyFluent 套件,建立自動化的分析流程與軌跡模擬器,實現透過 Python 控制 Fluent 模擬過程,極大提升模擬效率。

單一粒子運動軌跡路徑線圖

效益

  • 預測精度大幅提升
    在 2023 年能代太空活動中,通過 Fluent 模擬,預測的火箭落點與實際落點的誤差僅為 120 公尺,這樣的預測精度,對於火箭回收與後續數據分析至關重要,能有效提升任務成功率並降低開發成本。
  • 深入研究渦流影響
    透過可視化功能,團隊能夠深入研究翼尖渦流對尾翼效能的影響,並根據結果優化尾翼形狀,進一步提升飛行穩定性。
  • 節省設計時間
    在建立穩定的網格與分析方法後,使用 PyFluent 自動化流程,每次模擬節省約 1 小時的分析時間,顯著縮短設計週期。
  • 提高模擬效率與精度
    團隊能夠快速收斂多種模擬條件,顯著提升設計效率,並提高實驗精度。

這項技術的應用,不僅提升了火箭設計的精確度,還加速了開發過程,最終確保了火箭發射與回收的成功率。透過精確的流場模擬與自動化分析流程,工程師能夠在設計階段就預測並解決潛在問題,從而推動了火箭設計的創新與進步。

資料參考:ANSYS 簡報內容

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