Automatización del proceso de exploración del espacio de diseño para reducir entre un 30 % y un 50 % el tiempo de análisis

Exploración lunar continua

El módulo Habitation and Logistics Outpost (HALO) y Lunar Gateway de la NASA serán un punto de partida para la exploración continua de la superficie lunar y un paso hacia la exploración a largo plazo de la Luna y de otros planetas.

En los megaproyectos HALO y Lunar Gateway, participan la NASA, Northrop Grumman, SpaceX y cientos de otras empresas privadas del ecosistema de la industria espacial, así como organizaciones internacionales como la Agencia Espacial Europea (ESA), la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) y la Agencia Espacial Canadiense.

El diseño de HALO se basa en la nave espacial Cygnus de Northrop Grumman, un vehículo versátil que ha participado en casi 20 misiones de entrega de suministros, equipos y experimentos científicos a la Estación Espacial Internacional.

Un reputado solver de problemas espaciales

Con el diseño digital y la ingeniería de HALO, Northrop Grumman está situando en un nivel más alto su reputación como solver de problemas espaciales y arquitecto de sistemas de misiones espaciales. Northrop Grumman cuenta con Siemens Xcelerator, la plataforma empresarial de software, hardware y servicios, así como el software
Simcenter™ para ingeniería de rendimiento de naves espaciales, para acelerar el desarrollo, gestionar la complejidad, compartir grandes cantidades de datos entre partners y proveedores y mejorar la eficiencia de los proyectos.

El Dr. Tom Stoumbos, responsable de la división de Simulación y pruebas, es uno de los pioneros que impulsan la transformación digital en Northrop Grumman. Stoumbos y su equipo, formado por más de 100 expertos, trabajan en proyectos a largo plazo que van desde satélites de órbita terrestre baja hasta misiones en el espacio profundo. Esto incluye las misiones
Lunar Gateway y Artemis.

Imagen 1. El satélite comercial Thaicom 8.

Respaldo de la digitalización

Partidarios desde hace mucho tiempo de la transformación digital, la simulación agile, las pruebas virtuales y las asociaciones entre la industria y el mundo académico, Stoumbos y su equipo saben que aprovechar la simulación y el análisis de datos es clave para tener éxito en la exploración espacial.

«Desde que empecé en la industria espacial, he utilizado herramientas de simulación y pruebas para explorar virtualmente el universo del diseño de hardware», dice Stoumbos. «Siemens ha hecho un increíble trabajo integrando todas estas herramientas en la plataforma empresarial Siemens Xcelerator. Poder trabajar en el ámbito digital con análisis de diseño adecuados, conexiones estrechas con el hardware que diseñamos y analizar y controlar adecuadamente los requisitos de la misión tiene un valor incalculable».

Imagen 2. Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2).

El valor incalculable del ámbito digital

Stoumbos y su equipo trabajan en diseños de vehículos espaciales sujetos a estrictos requisitos porque están expuestos a adversos entornos térmicos, mecánicos, dinámicos y vibroacústicos durante la manipulación, el lanzamiento y la separación, así como las operaciones de la misión,
el análisis, la optimización del diseño y las pruebas. Examinar todos estos factores presenta numerosos retos en el diseño de misiones y proyectos de exploración lunar.

«Siemens tiene una visión similar a la de Northrop Grumman en cuanto a crecer con el producto», afirma Stoumbos. «Nuestro equipo realiza todo tipo de simulaciones: de esfuerzo, dinámicas, cinemáticas, utilización de choques y cuerpos rígidos y flexibles, mediante los sencillos y avanzados solvers y pre-procesadores y post-procesadores de Simcenter. Todos estos análisis pueden optimizarse mediante HEEDS. Con las revolucionarias y
exclusivas estrategias de búsqueda de HEEDS, podemos descubrir nuevos conceptos de diseño que mejoran los productos y reducen considerablemente los costes de desarrollo. La interconexión y la integración de las herramientas de Simcenter en la plataforma empresarial Siemens Xcelerator han sido muy innovadoras».

El equipo también cuenta con soluciones de Siemens Xcelerator, como el software de simulación e Teamcenter®, para mantener el hilo digital funcionando con precisión durante procesos complejos, así como con otras avanzadas herramientas de ingeniería,
como Simcenter Testlab™, Simcenter 3D, Simcenter Nastran, Simcenter Amesim™, Simcenter Multimech™ y HEEDS™ para diseño de experimentos, que forman parte de Siemens Xcelerator.

Imagen 3. El equipo de Northrop Grumman utiliza HEEDS para enlazar distintos tipos de análisis.

Un hilo digital común y una óptima red de DoE

El equipo utiliza hilos comunes para ejecutar análisis con Simcenter; de este modo, minimiza el tiempo que se tarda en actualizar los modelos de sistemas y subsistemas de los vehículos espaciales.

Cada semana, el equipo genera varios terabytes de datos analíticos y de pruebas. Sus integrantes han colaborado estrechamente con expertos de Siemens para adaptar Teamcenter Simulation a sus complejos procesos de simulación, los diferentes requisitos y los informes de sistemas.

«En colaboración con Siemens, hemos integrado estas herramientas clave y cambiado de un proceso analítico, más o menos determinista y en serie, a una óptima red de diseño de experimentos», asegura Stoumbos. «Se pueden efectuar muchos análisis en paralelo. Nuestros analistas trabajan en un entorno agile con un marco de gestión de proyectos de Scrum que proporciona la estructura y los datos detallados necesarios. De este modo, nuestros equipos observan cómo trabajan de forma óptima y añaden los análisis adecuados para optimizar el diseño.

»Podemos ejecutar solvers en paralelo y optimizar nuestros productos con HEEDS. El uso del diseño de experimentos de HEEDS ha sido inestimable para mejorar la eficiencia del proceso analítico. Puede ahorrarnos perfectamente entre un 30 % y un 50 % del tiempo de análisis. HEEDS nos permite ejecutar cientos de soluciones
en una semana; antes habríamos tardado más de dos».

Restricciones de diseño complejas y contrapuestas

«Todos los productos que construimos para misiones espaciales requieren exhaustivas pruebas integrales para demostrar que son aptos para la vida de la misión», dice Stoumbos. «Las operaciones espaciales y los programas multimillonarios no dejan margen para volver atrás y corregir algo una vez que se ha lanzado. Ahora mismo no es posible. Quizás lo sea en el futuro. Por eso efectuamos pruebas exhaustivas.

»Es importante que nuestras simulaciones estén directamente relacionadas con las distintas pruebas de sistemas y subsistemas. Utilizamos Simcenter Testlab para enlazar todos estos datos de pruebas de vehículos espaciales, desde la estática a la dinámica
y el choque con nuestros modelos digitales, y después la correlación detallada de modelos. Creamos un bucle que introduce la información analítica en la prueba y de la prueba vuelve a los modelos analíticos, lo que nos permite implementar correlaciones detalladas durante el proceso del gemelo digital. Estos modelos correlacionados, un completo gemelo digital de nuestro hardware de vuelo y sistemas espaciales, nos permiten acertar en nuestras predicciones medioambientales y posibilitan la extrapolación de datos de misión con resultados precisos de otros casos de misión».

Imagen 4. Visualización de un satélite y sus componentes.

Marco interno para equilibrar atributos

Para acelerar internamente el proceso de diseño, el equipo ha elaborado un marco interno multidisciplinar de análisis estructural y optimización del diseño (MSADO). La finalidad es equilibrar atributos de las misiones, como las cargas de vibración del vehículo de lanzamiento, el calentamiento térmico orbital y la acústica con numerosas restricciones de diseño. El marco se utiliza para determinar las interacciones estructurales con distintos entornos orbitales al diseñar sistemas espaciales complejos para misiones de satélites en el espacio profundo. Recientemente, el marco MSADO se ha ampliado a la logística espacial cooperativa y a las misiones de mantenimiento de satélites en órbita. Se trata de misiones complejas que incluyen elaborados sistemas robóticos y sistemas de acoplamiento de misión crítica.

La apertura e interconectividad de las herramientas de Simcenter, así como el hilo digital que proporciona Siemens Xcelerator, como Teamcenter Simulation y el software NX™ CAD, reducen considerablemente el tiempo
necesario para configurar el marco MSADO de cada misión o proyecto.

«Estamos entusiasmados con este proceso y su futura contribución a numerosas operaciones de sistemas de satélites», asegura Stoumbos.

«Confiamos en que mejorará el ciclo de diseño de nuestros futuros análisis de diseño de vehículos espaciales, así como de las misiones lunares y a Marte.»

Imagen 5. Simcenter 3D se utiliza para efectuar análisis de esfuerzo a fin de estudiar el comportamiento de los fallos
de materiales compuestos.

Colaboración en el nuevo ecosistema de la industria espacial

En la construcción de un satélite o una estación espacial participan muchos proveedores, distribuidores y propietarios de subsistemas. Como integrador principal, Northrop Grumman Space Systems, así como Stoumbos y su equipo, no tienen que preocuparse de si las herramientas con las que trabajan son compatibles con el hilo digital de Siemens Xcelerator.

«Siemens Xcelerator permite que nuestros modelos CAD y CAE interactúen, sea quien sea el desarrollador», dice Stoumbos. «Esto ahorra un tiempo considerable, ya que la conversión de modelos suele tardar y puede producir errores de modelización.

»Un satélite tiene hasta un par de millones de grados de libertad», afirma Stoumbos. «Como integrador de sistemas por excelencia, nuestro trabajo consiste en alinear todos los subsistemas, modelos digitales y modelos matemáticos que recibimos de clientes y proveedores. Con la ayuda de Siemens, integramos perfectamente los modelos, ejecutamos el análisis de simulación, obtenemos resultados precisos e interactuamos con el cliente mediante nuestro gemelo digital de vehículo espacial».

El auténtico objetivo de Northrop Grumman Space Systems es un gemelo digital en tiempo real dentro de un hilo digital.

«Northrop Grumman y Siemens comparten el mismo objetivo de un hilo digital puro, en el que los modelos del sistema podrán representar con precisión el sistema físico y nos permitirán llevar a cabo simulaciones en tiempo real durante la misión, mientras el vehículo o satélite está en órbita», explica Stoumbos. «Si se produce algún problema o incidencia, siempre podemos volver al gemelo digital e intentar comprender lo que ha sucedido durante la misión».

Imagen 6. Análisis del comportamiento dinámico de un satélite.

Un gemelo digital de HALO para las generaciones futuras

El diseño de HALO ha logrado superar las revisiones preliminares y críticas del diseño, uno de los puntos de control de los complejos proyectos de ingeniería.

El diseño de la nave espacial se está validando para garantizar que el sistema global sea seguro y fiable para el vuelo, y que cumpla los requisitos de la misión de la NASA. En la actualidad, HALO es objeto de un diseño más detallado, así como de desarrollo de hardware. Una vez que se valide, este modelo será la base del gemelo digital de HALO en el que se basarán las futuras generaciones de ingenieros.

Un equipo polifacético y multigeneracional acabará dando vida a HALO en las instalaciones de Northrop Grumman en Gilbert, Arizona, que podrá aprovechar su experiencia en producción e integración de sistemas espaciales a fin de preparar el módulo espacial para su lanzamiento.

«En una o dos décadas, hemos pasado de diseñar satélites de comunicaciones a desarrollar complejos sistemas robóticos destinados a misiones en el espacio y avanzar hacia un gemelo digital para los futuros vehículos espaciales», afirma Stoumbos. «Este ritmo de innovación es increíble. Siemens tiene la visión y el conjunto de herramientas para avanzar con rapidez hacia la digitalización y la simulación de la ingeniería avanzada. Confiamos seguir progresando con Siemens en calidad de partners».