Automatisierung der Design Space Exploration zur Verkürzung der Analysezeit um 30 bis 50 Prozent

Nachhaltige Monderkundung

Der Habitation and Logistics Outpost (HALO) und das Lunar Gateway der NASA sind ein Ausgangspunkt für die nachhaltige Erkundung der Mondoberfläche und ein Schritt zur langfristigen Erkundung des Mondes und ferner liegender Ziele.

An den Megaprojekten HALO und Lunar Gateway sind die NASA, Northrop Grumman, SpaceX und Hunderte anderer privater Unternehmen aus der Raumfahrtbranche sowie internationale Organisationen wie die Europäische Weltraumorganisation (ESA), die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und die Canadian Space Agency beteiligt.

Die HALO-Konstruktion basiert auf dem Cygnus-Raumschiff von Northrop Grumman, einem vielseitigen Fahrzeug, das an fast 20 Missionen zur Lieferung von Nachschub, Anlagen und wissenschaftlichen Experimenten an die Internationale Raumstation teilgenommen hat.

Ein ernsthafter Problemlöser für die Raumfahrt

Mit der digitalen Konstruktion von HALO hebt Northrop Grumman seinen Ruf als Problemlöser im Weltraum und als Systemarchitekt für Missionen und Raumfahrt auf das nächste Niveau. Northrop Grumman setzt auf die Siemens Xcelerator Business-Plattform für Software, Hardware und Services, einschließlich der
Simcenter™ Software für Spacecraft Performance Engineering, um die Entwicklung zu beschleunigen, die Komplexität zu bewältigen, große Datenmengen mit Partnern und Zulieferern auszutauschen und die Projekteffizienz zu verbessern.

Dr. Tom Stoumbos, Leiter für Simulation und Tests, ist einer der Pioniere der digitalen Transformation bei Northrop Grumman. Stoumbos und sein Team von über 100 Experten arbeiten an langfristigen Projekten, die von Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn bis hin zu Weltraummissionen reichen. Dazu gehören die Missionen
Lunar Gateway und Artemis.

Abbildung 1: Der kommerzielle Satellit Thaicom 8

Eintreten für die Digitalisierung

Als langjähriger Befürworter der digitalen Transformation, der flexiblen Simulation, des virtuellen Testens und der Partnerschaften zwischen Industrie und Wissenschaft haben Stoumbos und sein Team erkannt, dass die Nutzung von Simulation und Datenanalyse der Schlüssel zum Erfolg in der Weltraumforschung ist.

„Seit meinen Anfängen in der Raumfahrtbranche verwende ich Simulations- und Test-Tools, um das Universum der Hardware-Konstruktion virtuell zu erkunden“, sagt Stoumbos. „Siemens hat hervorragende Arbeit geleistet, indem es all diese Tools in der heutigen Siemens Xcelerator Business Platform zusammengeführt hat. Es ist von unschätzbarem Wert, dass wir im digitalen Bereich mit geeigneten Konstruktionsanalysen arbeiten können, eine enge Verbindung zu der von uns konstruierten Hardware haben und die Anforderungen der Einsätze genau analysieren und steuern können.“

Abbildung 2: Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2)

Die digitale Welt ist unbezahlbar

Stoumbos und sein Team arbeiten an der Konstruktion von Raumfahrzeugen, die strenge Anforderungen stellen, da sie widrigen Umgebungen ausgesetzt sind. Dazu gehören extreme thermische, mechanische, dynamische und vibroakustische Umgebungen während der Handhabung, des Starts und der Trennung sowie des Missionsbetriebs, der
Analyse, Konstruktionsoptimierung und Tests. Die Untersuchung all dessen stellt eine Vielzahl von Herausforderungen für die Gestaltung der Missionen und die Monderkundungsprojekte dar.

„Siemens hat eine ähnliche Vision wie Northrop Grumman, wenn es darum geht, sich mit dem Produkt weiterzuentwickeln“, sagt Stoumbos. „Unser Team führt alle Arten von Simulationen durch, einschließlich Spannung, Dynamik, Kinematik, Schocknutzung sowie steife und flexible Körper mit den leistungsstarken und benutzerfreundlichen Simcenter Pre-Post-Prozessoren und Solvern. All diese Analysen können mit HEEDS optimiert werden. Mit revolutionären
Suchstrategien, die nur in HEEDS zur Verfügung stehen, können Sie neue Konstruktionskonzepte entdecken, mit denen Sie Produkte verbessern und die Entwicklungskosten wesentlich verringern können. Die Vernetzung und Integration von Simcenter-Tools in die Siemens Xcelerator Business-Plattform war für uns bahnbrechend.

Das Team verlässt sich auch auf die Lösungen von Siemens Xcelerator, wie die Teamcenter® Simulationssoftware, um den digitalen roten Faden in komplexen Prozessen genau am Laufen zu halten, sowie auf andere fortgeschrittene Engineering-Tools von
, darunter die Simcenter Testlab™ Software, Simcenter 3D, Simcenter Nastran, Simcenter Amesim™ Software, die Simcenter Multimech™ Plattform und HEEDS™ Software für Experimentkonstruktion, die alle Teil von Siemens Xcelerator sind.

Abbildung 3: Das Team von Northrop Grumman nutzt HEEDS, um verschiedene Arten von Analysen miteinander zu verknüpfen.

Ein gemeinsamer digitaler roter Faden und ein optimales DoE-Netzwerk

Das Team verwendet gemeinsame Threads, um Analysen mit Simcenter durchzuführen und so die Zeit zu minimieren, die für die Aktualisierung von Raumfahrzeugsystemen und Subsystemmodellen benötigt wird.

Das Team generiert jede Woche mehrere Terabyte an Analyse- und Testdaten. Es hat eng mit Siemens-Experten zusammengearbeitet, um Teamcenter Simulation an ihre komplexen Simulationsprozesse, vielfältigen Anforderungen und das Reporting auf Systemebene anzupassen.

„Gemeinsam mit Siemens haben wir all diese wichtigen Tools integriert und sind so von einem analytischen, quasi deterministischen und seriellen Prozess zu einem optimalen Design-of-Experiments-Netzwerk übergegangen“, sagt Stoumbos. „Es können zahlreiche Analysen können parallel durchgeführt werden. Unsere Analysten arbeiten in einer flexiblen Umgebung mit einem Scrum-Projektmanagement-Framework, das gerade genug Struktur und Einblick bietet. Auf diese Weise können unsere Mitarbeiter und Teams sehen, wie sie optimal zusammenarbeiten und die richtigen Analysen zur Optimierung der Konstruktion hinzufügen.

„Wir können Solver parallel ausführen und unsere Produkte mit HEEDS optimieren. Die Verwendung der HEEDS-Experimentkonstruktion war von unschätzbarem Wert für die Verbesserung der Effizienz unseres Analyseprozesses. Dadurch können wir leicht 30 bis 50 Prozent unserer Analysezeit einsparen. Wir können Hunderte von Lösungen in einer Woche über HEEDS
laufen lassen, was früher mehr als ein paar Wochen gedauert hätte.“

Komplexe und konkurrierende Konstruktionsvorgaben

„Alle Produkte, die wir für Weltraummissionen bauen, müssen umfassend getestet werden, um zu beweisen, dass sie für die Dauer der Mission geeignet sind“, sagt Stoumbos. „Bei Weltraumoperationen und millionenschweren Programmen gibt es keinen Spielraum, um etwas nach der Markteinführung wieder zu reparieren. Das ist im Moment einfach nicht möglich. Es könnte in Zukunft möglich werden. Aus diesem Grund führen wir umfangreiche Tests durch.

„Es ist wichtig, dass unsere Simulationen in direktem Zusammenhang mit den verschiedenen Tests auf System- und Subsystemebene stehen. Wir verwenden Simcenter Testlab, um all diese Raumfahrttestdaten miteinander zu verknüpfen, von der Statik bis zur
Dynamik und den Schocks zurück zu unseren digitalen Modellen, und dann die detaillierte Modellkorrelation. Wir erstellen eine Schleife, die die analytischen Informationen in den Test und vom Test zurück in die analytischen Modelle einspeist, wodurch wir auf dem Weg zum digitalen Zwilling detaillierte Korrelationen durchführen können. Diese korrelierten Modelle, ein umfassender digitaler Zwilling unserer Flughardware und Raumfahrtsysteme, ermöglichen es uns, mit unseren Umweltvorhersagen erfolgreich zu sein und die Extrapolation von Missionsdaten mit genauen Ergebnissen aus anderen Einsatzfällen durchzuführen.“

Abbildung 4: Darstellung eines Satelliten und seiner Anlagen

Internes Framework zum Ausbalancieren von Attributen

Um den Konstruktionsprozess intern zu beschleunigen, hat das Team ein eigenes multidisziplinäres Framework für Strukturanalyse und Konstruktionsoptimierung (MSADO, Multidisciplinary Structural Analysis and Design Optimization) ausgearbeitet, um Attribute für Missionen wie Schwingungsbelastungen der Markteinführung, orbitale Wärmeentwicklung und Akustik mit zahlreichen Konstruktionseinschränkungen in Einklang zu bringen. Das Framework wird verwendet, um strukturelle Wechselwirkungen mit verschiedenen orbitalen Umgebungen bei der Konstruktion komplexer Raumfahrtsysteme für Satellitenmissionen im tiefen Weltraum zu bestimmen. Vor Kurzem wurde das MSADO Framework auf kooperative Weltraumlogistik und In-Orbit-Satelliten-Services erweitert. Dabei handelt es sich um komplexe Missionen, die ausgeklügelte Robotersysteme und missionskritische Andocksysteme umfassen.

Die Offenheit und Konnektivität der Simcenter Tools sowie der digitale rote Faden, den Siemens Xcelerator bereitstellt, wie z. B. Teamcenter Simulation und NX™ CAD-Software, reduzieren die
Zeit, die für die Einrichtung des MSADO Frameworks für jeden Auftrag oder jedes Projekt benötigt wird, erheblich.

„Wir sind begeistert von diesem Verfahren und seinem zukünftigen Beitrag zum Betrieb zahlreicher Satellitensysteme“, sagt Stoumbos.

„Wir sind zuversichtlich, dass es den Konstruktionszyklus für unsere zukünftigen Analysen der Raumfahrzeugkonstruktion sowie für Mond- und Marsmissionen verbessern wird.“

Abbildung 5: Simcenter 3D wird zur Durchführung von Spannungsanalysen verwendet, um das Versagensverhalten von
Faserverbundwerkstoffen zu untersuchen.

Zusammenarbeit im neuen Weltraum-Ökosystem

Es gibt eine umfangreiche Liste von Zulieferern, Verkäufern und Eigentümern von Subsystemen, die zum Bau eines Satelliten oder einer Raumstation beitragen. Als Hauptintegrator müssen sich Northrop Grumman Space Systems und Stoumbos und sein Team keine Sorgen machen, ob die Tools, mit denen sie arbeiten, mit dem digitalen roten Faden von Siemens Xcelerator kompatibel sind.

„Mit Siemens Xcelerator können unsere CAD- und CAE-Modelle miteinander ,kommunizieren‘, unabhängig davon, wer der Entwickler ist“, sagt Stoumbos. „Das spart viel Zeit, denn die Konvertierung von Modellen ist in der Regel zeitaufwendig und kann zu Fehlern bei der Modellierung führen.

„Ein Satellit hat bis zu ein paar Millionen Freiheitsgrade“, sagt Stoumbos. „Als ultimativer Systemintegrator ist es unsere Aufgabe, alle Subsysteme, digitalen Modelle und mathematischen Modelle, die wir von Kunden und Anbietern erhalten, aufeinander abzustimmen. Mithilfe von Siemens können wir Modelle nahtlos integrieren, die Simulationsanalyse durchführen, genaue Ergebnisse erhalten und über unseren digitalen Zwilling direkt mit dem Kunden kommunizieren.“

Das ultimative Ziel bei Northrop Grumman Space Systems ist ein digitaler Zwilling in Echtzeit innerhalb eines digitalen roten Fadens.

„Northrop Grumman und Siemens verfolgen das gleiche Ziel eines rein digitalen roten Fadens, bei dem die Systemmodelle das physische System genau darstellen können und uns in die Lage versetzen, Simulationen in Echtzeit während der Mission durchzuführen, während sich das Fahrzeug oder der Satellit in der Umlaufbahn befindet“, sagt Stoumbos. „Wenn es ein bestimmtes Problem oder eine Entdeckung gibt, können wir jederzeit auf den digitalen Zwilling zurückgreifen und versuchen zu verstehen, was während der Mission passiert ist.“

Abbildung 6: Dynamische Verhaltensanalyse eines Satelliten

Ein genauer digitaler Zwilling von HALO für zukünftige Generationen

Die HALO-Konstruktion wurde erfolgreich vorläufigen und kritischen Konstruktionsprüfungen unterzogen, die zu einer Reihe von Prüfpunkten für komplexe technische Projekte gehören.

Die Konstruktion des Raumfahrzeugs wird derzeit validiert, um sicherzustellen, dass das Gesamtsystem sicher und zuverlässig ist und die Anforderungen der NASA erfüllt. HALO befindet sich derzeit in der weiteren Detailplanung sowie in der Hardwareentwicklung. Wenn dieses Modell validiert ist, wird es die Grundlage für den digitalen Zwilling HALO bilden, auf dem künftige Generationen von Ingenieuren aufbauen werden.

Ein vielseitiges und generationenübergreifendes Team wird HALO schließlich im Northrop Grumman-Werk in Gilbert, Arizona, zum Leben erwecken. Das Unternehmen kann auf seine Erfahrung in der Produktion und Integration von Raumfahrtsystemen zurückgreifen, um das Raummodul für die Markteinführung vorzubereiten.

„In ein oder zwei Jahrzehnten sind wir von der Konstruktion von Kommunikationssatelliten zur Entwicklung komplexer Robotersysteme für die Wartung von Missionen im Weltraum übergegangen und bewegen uns auf einen digitalen Zwilling für zukünftige Raumfahrzeuge zu“, sagt Stoumbos. „Das ist ein unglaubliches Innovationstempo. Siemens hat die Vision und die Tools, die es uns ermöglichen, schnell in die Digitalisierung und fortgeschrittene Engineering-Simulation einzusteigen. Wir hoffen, gemeinsam mit Siemens als Partner weiter zu wachsen.“