Automatizace procesu procházení prostoru návrhu, která zkracuje dobu analýzy o 30 až 50 procent

Setrvalý průzkum Měsíce

Zařízení Habitation and Logistics Outpost (HALO) společnosti NASA a vesmírná stanice Lunar Gateway budou výchozím bodem pro setrvalý průzkum povrchu Měsíce a krokem k dlouhodobému průzkumu Měsíce a vzdálenějších oblastí.

Na megaprojektech zařízení HALO a stanice Lunar Gateway se podílejí společnosti NASA, Northrop Grumman, SpaceX a stovky dalších soukromých společností v ekosystému vesmírného průmyslu, jakož i mezinárodní organizace, jako je Evropská vesmírná agentura (ESA), Japonská vesmírná agentura (JAXA) a Kanadská vesmírná agentura.

Návrh zařízení HALO vychází z univerzální kosmické lodi Cygnus společnosti Northrop Grumman, která se účastnila téměř 20 misí, při nichž dopravovala zásoby, zařízení a vědecké experimenty na Mezinárodní vesmírnou stanici.

Spolehlivý řešitel vesmírných problémů

Díky digitálnímu návrhu a inženýringu zařízení HALO posouvá společnost Northrop Grumman svou pověst řešitele vesmírných problémů a architekta vesmírných systémů na další úroveň. Společnost Northrop Grumman spoléhá na obchodní platformu Siemens Xcelerator, která zahrnuje software, hardware a služby, včetně řešení Simcenter™ pro inženýrství výkonnosti kosmických lodí, aby urychlila vývoj, zvládla složitost, sdílela velké množství dat mezi partnery a dodavateli a zlepšila efektivitu projektů.

Dr. Tom Stoumbos, vedoucí simulací a testování, je jedním z průkopníků digitální transformace ve společnosti Northrop Grumman. Stoumbos a jeho tým více než 100 odborníků pracují na dlouhodobých projektech od družic na nízké oběžné dráze až po mise do hlubokého vesmíru. To zahrnuje také mise Lunar Gateway a Artemis.

Obrázek 1. Komerční družice Thaicom 8.

Prosazování digitalizace

Stoumbos a jeho tým dlouhodobě podporují digitální transformaci, agilní simulace, virtuální testování a partnerství mezi průmyslem a akademickou sférou a uvědomují si, že klíčem k úspěchu v oblasti výzkumu vesmíru je využití simulací a datové analytiky.

„Od svých začátků v kosmickém průmyslu používám simulační a testovací nástroje k virtuálnímu zkoumání světa návrhu hardwaru,“ říká Stoumbos. „Společnost Siemens odvedla obrovský kus práce, když všechny tyto nástroje spojila do obchodní platformy Siemens Xcelerator. Je k nezaplacení, že můžeme pracovat v digitální sféře s řádnými analýzami návrhu, úzkými vazbami na navrhovaný hardware a správnou analýzou a kontrolou požadavků misí.“

Obrázek 2. Zařízení Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2).

Digitální sféra je k nezaplacení

Stoumbos a jeho tým pracují na návrzích kosmických lodí, na které jsou kvůli nepříznivým podmínkám kladeny přísné požadavky. To zahrnuje extrémní tepelné, mechanické, dynamické a vibroakustické prostředí při manipulaci, startu a oddělování, jakož i složitosti v rámci průběhu mise, analýz, optimalizace návrhu a testování. Zkoumání všech těchto skutečností představuje pro návrh misí a projekty průzkumu Měsíce řadu výzev.

„Společnost Siemens má podobnou vizi jako společnost Northrop Grumman, pokud jde o růst společně s produktem,“ říká Stoumbos. „Náš tým provádí všechny druhy simulací, včetně simulací napětí, dynamiky, kinematiky, využití rázů a tuhých a pružných těles, a to pomocí výkonných a uživatelsky přívětivých procesorů pro předběžné a následné zpracování a řešičů v rámci řešení Simcenter. Všechny tyto analýzy můžeme zjednodušit pomocí systému HEEDS. Díky revolučním vyhledávacím strategiím, které jsou k dispozici pouze v systému HEEDS, můžeme odhalit nové koncepty návrhu, které zlepšují naše výrobky a výrazně snižují náklady na vývoj. Propojení a integrace nástrojů řešení Simcenter v obchodní platformě Siemens Xcelerator je pro nás průlomové.“

Tým se také spoléhá na řešení Siemens Xcelerator, jako je software Teamcenter® Simulation, který zajišťuje přesné fungování digitálního vlákna v průběhu složitých procesů, a na další pokročilé inženýrské nástroje, včetně softwaru Simcenter Testlab™, Simcenter 3D, Simcenter Nastran, Simcenter Amesim™, platformy Simcenter Multimech™ a systému HEEDS™ pro navrhování experimentů. Veškerý tento software je součástí řešení Siemens Xcelerator.

Obrázek 3. Tým společnosti Northrop Grumman používá systém HEEDS k propojení různých typů analýz.

Společné digitální vlákno a optimální síť DoE

Tým používá společná vlákna pro provádění analýz pomocí řešení Simcenter, čímž minimalizuje čas potřebný k aktualizaci modelů systémů a subsystémů kosmických lodí.

Tým každý týden generuje několik terabajtů analytických a testovacích dat. Jeho členové úzce spolupracovali s odborníky společnosti Siemens, aby přizpůsobili software Teamcenter Simulation svým komplexním simulačním procesům, četným požadavkům a systémové tvorbě výkazů.

„Společně se společností Siemens jsme integrovali všechny tyto klíčové nástroje a přešli od analytického, jaksi deterministického a sériového procesu k optimální síti pro navrhování experimentů,“ říká Stoumbos. „Řadu analýz můžeme provádět paralelně. Naši analytici pracují v agilním prostředí rámce pro správu projektů Scrum, který poskytuje dostatečnou strukturu a přehled. Naši lidé a týmy tak mohou vidět možnosti optimální spolupráce a přidat správné analýzy pro optimalizaci návrhu.

„Pomocí systému HEEDS můžeme paralelně spouštět řešiče a optimalizovat naše výrobky. Návrh experimentů v systému HEEDS je neocenitelným přínosem pro zlepšení účinnosti našeho analytického procesu. Snadno tak ušetříme 30 až 50 procent času věnovaného analýze. Za týden můžeme přes systém HEEDS spustit stovky řešení, což by dříve trvalo mnohonásobně déle.“

Složitá a vzájemně si konkurující omezení návrhu

„Všechny výrobky pro vesmírné mise vyžadují rozsáhlé komplexní testování, abychom prokázali, že budou správně fungovat po celou dobu jejich trvání,“ říká Stoumbos. „Při vesmírných misích a programech v hodnotě mnoha milionů dolarů není možné se po startu vrátit a něco opravovat. V současné době to prostě není možné. Jednou to třeba možné bude. A právě proto provádíme rozsáhlá testování.

„Je důležité, aby naše simulace přímo souvisely s různými testy na úrovni systému a subsystému. Pomocí softwaru Simcenter Testlab propojujeme všechna tato data z testů kosmických lodí, od statiky přes dynamiku a rázy zpět do našich digitálních modelů, a poté je podrobně porovnáváme s modely. Vytváříme smyčku, která přenáší analytické informace do testu a z testu zpět do analytických modelů, což nám umožňuje provádět podrobné korelace na cestě k digitálnímu dvojčeti. Tyto korelované modely, komplexní digitální dvojče našeho letového hardwaru a kosmických systémů, nám umožňují úspěšně předpovídat podmínky v oblasti prostředí a extrapolovat data z misí s přesnými výsledky z jiných případů.“

Obrázek 4. Vizualizace družice a příslušných zařízení.

Interní rámec pro vyvážení atributů

Pro urychlení interního procesu návrhu tým vypracoval vlastní víceoborový rámec pro strukturální analýzu a optimalizaci návrhu (MSADO), aby vyvážil atributy pro mise, jako je vibrační zatížení nosné rakety, tepelné zahřívání na oběžné dráze a akustika, s četnými omezeními návrhů. Tento rámec se používá k určení strukturálních interakcí s různými prostředími na oběžné dráze při navrhování složitých vesmírných systémů pro družicové mise v hlubokém vesmíru. Nedávno byl rámec MSADO rozšířen o kooperativní vesmírnou logistiku a servisní mise družic na oběžné dráze. Jedná se o komplexní mise, které zahrnují složité robotické systémy a veledůležité dokovací systémy.

Otevřenost a vzájemná propojitelnost nástrojů řešení Simcenter a digitálních vláken, která poskytuje řešení Siemens Xcelerator, jako je software Teamcenter Simulation a řešení NX™ CAD, výrazně zkracuje dobu potřebnou k nastavení rámce MSADO pro každou misi nebo projekt.

„Máme z tohoto procesu a jeho budoucího přínosu pro provoz mnoha družicových systémů opravdu velkou radost,“ říká Stoumbos.

„Jsme přesvědčení, že nám umožní zlepšit cyklus návrhu pro naše budoucí analýzy návrhů vesmírných lodí a také pro mise na Měsíc a Mars.“

Obrázek 5. Řešení Simcenter 3D se používá k analýze napětí při studiu chování kompozitních materiálů při selhání.

Spolupráce v novém ekosystému kosmického průmyslu

Seznam dodavatelů, prodejců a vlastníků subsystémů, kteří se podílejí na stavbě družic nebo vesmírných stanic, je opravdu dlouhý. Společnost Northrop Grumman Space Systems a Tom Stoumbos a jeho tým se jako hlavní integrátor nemusí starat o to, zda jsou nástroje, s nimiž pracují, kompatibilní s digitálním vláknem řešení Siemens Xcelerator.

„Řešení Siemens Xcelerator umožňuje našim modelům CAD a CAE vzájemně komunikovat bez ohledu na to, kdo je vytvořil,“ říká Stoumbos. „Tím se ušetří značný čas, protože převod modelu je obvykle časově náročný a může vést k chybám v modelování.

Každá družice má až několik milionů stupňů volnosti,“ říká Stoumbos. „Naším úkolem jako konečného systémového integrátora je sladit všechny subsystémy, digitální modely a matematické modely, které dostáváme od zákazníků a dodavatelů. S pomocí společnosti Siemens můžeme bezproblémově integrovat modely, provádět simulační analýzy, získávat přesné výsledky a přímo komunikovat se zákazníkem pomocí našeho digitálního dvojčete kosmických lodí.“

Konečným cílem společnosti Northrop Grumman Space Systems je digitální dvojče v reálném čase v rámci digitálního vlákna.

„Společnosti Northrop Grumman a Siemens sdílejí stejný cíl, kterým je čistě digitální vlákno, kde modely systému budou schopné přesně reprezentovat fyzický systém a umožní nám provádět simulace v reálném čase během mise, zatímco je loď nebo družice na oběžné dráze,“ říká Stoumbos. „Pokud se vyskytne nějaký specifický problém nebo zjištění, můžeme se vždy vrátit k digitálnímu dvojčeti a pokusit se pochopit, co se během mise přesně stalo.“

Obrázek 6. Analýza dynamického chování družice.

Přesné digitální dvojče zařízení HALO pro budoucí generace

Návrh zařízení HALO úspěšně prošel předběžným a kritickým posouzením návrhu, což je jeden z řady kontrolních bodů u složitých inženýrských projektů.

Návrh kosmické lodi se ověřuje, aby se zajistilo, že celý systém bude bezpečný a spolehlivý pro let a bude splňovat požadavky společnosti NASA na misi. Zařízení HALO v současné době prochází dalším podrobným návrhem i vývojem hardwaru. Po ověření bude tento model základem digitálního dvojčete zařízení HALO, na kterém budou stavět další generace inženýrů.

Mnohostranný a vícegenerační tým nakonec uvede zařízení HALO do života v závodě společnosti Northrop Grumman v Gilbertu v Arizoně, který může využít své zkušenosti s výrobou a integrací vesmírných systémů a připravit vesmírný modul ke startu.

„Za dvě desetiletí jsme přešli od navrhování komunikačních satelitů k vývoji složitých robotických systémů pro servisní mise ve vesmíru a ubíráme se směrem k digitálnímu dvojčeti budoucích kosmických lodí,“ říká Stoumbos. „Inovace postupují neskutečným tempem. Společnost Siemens má k dispozici vizi a sadu nástrojů, které nám umožňují rychle přejít na digitalizaci a pokročilé inženýrské simulace. Doufáme, že budeme i nadále růst společně se společností Siemens jako partnerem.“