Automatisation du processus d'exploration de l'espace de conception pour réduire le temps d'analyse de 30 à 50 %

Exploration lunaire soutenue

L'avant-poste d'habitation et de logistique HALO (Habitation and Logistics Outpost) de la NASA et sa passerelle lunaire (la station Lunar Gateway) constitueront un point de départ pour une exploration soutenue de la surface lunaire et une étape vers l'exploration à long terme de la Lune et des destinations au-delà.

Les mégaprojets HALO et Lunar Gateway impliquent la NASA, Northrop Grumman, SpaceX et des centaines d'autres entreprises privées de l'écosystème de l'industrie spatiale, ainsi que des organisations internationales telles que l'Agence spatiale européenne (ESA), l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) et l'Agence spatiale canadienne.

La conception de HALO s'appuie sur le vaisseau spatial Cygnus de Northrop Grumman, un véhicule polyvalent qui a participé à près de 20 missions visant à livrer des fournitures, de l'équipement et des expériences scientifiques à la Station spatiale internationale.

Une solution sérieuse aux problèmes liés à l'espace

Avec la conception et l'ingénierie numériques de HALO, Northrop Grumman fait passer sa réputation de résolveur de problèmes spatiaux et d'architecte de systèmes spatiaux/de mission à un niveau supérieur. Northrop Grumman s'appuie sur la plateforme commerciale Siemens Xcelerator de logiciels, matériel et services, qui comprend le logiciel Simcenter™ pour l'ingénierie des performances des engins spatiaux, afin d'accélérer le développement, gérer la complexité, partager de grandes quantités de données entre les partenaires et les fournisseurs et améliorer l'efficacité des projets.

Le Dr Tom Stoumbos, responsable de la simulation et des tests, est l'un des pionniers de la transformation numérique chez Northrop Grumman. Tom Stoumbos et son équipe de plus de 100 experts travaillent sur des projets à long terme allant des satellites en orbite terrestre basse aux missions dans l'espace lointain. Cela inclut les missions Lunar Gateway et Artemis.

Schéma 1. Satellite commercial Thaicom 8.

Plaidoyer pour la digitalisation

Partisan de longue date de la transformation numérique, de la simulation agile, des tests virtuels et des partenariats entre l'industrie et le milieu universitaire, M. Stoumbos et son équipe sont conscients que l'exploitation de la simulation et de l'analyse de données est essentielle pour réussir dans l'exploration spatiale.

"Depuis mes débuts dans l'industrie spatiale, j'utilise des outils de simulation et de test pour explorer virtuellement l'univers de la conception de matériel", explique M. Stoumbos. "Siemens a fait un travail formidable en rassemblant tous ces outils dans ce qui est aujourd'hui la plateforme commerciale Siemens Xcelerator. Pouvoir travailler dans le domaine numérique avec des analyses de conception appropriées, des liens étroits avec le matériel que nous concevons et une analyse et un contrôle complets des exigences de la mission n'a pas de prix."

Schéma 2. Observatoire du carbone en orbite-2 (OCO-2).

Le domaine numérique n'a pas de prix

Tom Stoumbos et son équipe travaillent sur des conceptions de véhicules spatiaux qui ont des exigences strictes parce qu'ils sont exposés à des environnements défavorables. Cela inclut des environnements thermiques, mécaniques, dynamiques et vibroacoustiques extrêmes lors de la manipulation, du lancement et de la séparation, ainsi que des opérations de mission, l'analyse, l'optimisation de la conception et les tests. L'examen de tout cela présente une variété de défis pour la conception des missions et les projets d'exploration lunaire.

"Siemens a une vision similaire à celle de Northrop Grumman en termes de croissance au rythme du produit", déclare Tom Stoumbos. "Notre équipe effectue toutes sortes de simulations, y compris de contraintes, de dynamique, de cinématique, l'utilisation de chocs et de corps rigides et flexibles à l'aide des pré/post-processeurs et solveurs Simcenter, puissants et faciles d'utilisation. Toutes ces analyses peuvent être rationalisées à l'aide de HEEDS. Grâce aux stratégies de recherche innovantes disponibles uniquement dans HEEDS, nous pouvons découvrir de nouveaux concepts de conception qui améliorent nos produits et réduisent considérablement les coûts de développement. L'interconnexion et l'intégration des outils Simcenter dans la plateforme commerciale Siemens Xcelerator ont été révolutionnaires pour nous."

L'équipe compte également sur les solutions Siemens Xcelerator, comme le logiciel Teamcenter® Simulation, pour assurer la précision de la continuité numérique tout au long des processus complexes, ainsi que sur d'autres outils d'ingénierie avancés, notamment le logiciel Simcenter Testlab™, Simcenter 3D, Simcenter Nastran, le logiciel Simcenter Amesim™, la plateforme Simcenter Multimech™ et le logiciel HEEDS™ pour la conception d'expériences, qui font tous partie de Siemens Xcelerator.

Schéma 3. L'équipe de Northrop Grumman utilise HEEDS pour relier différents types d'analyses.

Une continuité numérique commune et un plan expérimental optimal

L'équipe a recours à une continuité commune pour exécuter des analyses avec Simcenter, minimisant ainsi le temps nécessaire à la mise à jour des systèmes et des modèles de sous-systèmes des véhicules spatiaux.

Elle génère plusieurs téraoctets de données analytiques et de tests chaque semaine. Elle a travaillé en étroite collaboration avec les experts de Siemens pour adapter Teamcenter Simulation à ses processus de simulation complexes, à ses multiples exigences et à ses rapports au niveau du système.

"En collaboration avec Siemens, nous avons intégré tous ces outils clés et sommes passés d'un processus analytique, de type déterministe et sériel, à un réseau de conception d'expériences optimal", explique M. Stoumbos. "De nombreuses analyses peuvent être réalisées en parallèle. Nos analystes opèrent dans un environnement agile avec une infrastructure logicielle de gestion de projet Scrum apportant juste assez de structure et d'informations. De cette façon, nos employés et nos équipes peuvent observer leur manière optimale de travailler ensemble et ajouter les analyses appropriées pour optimiser la conception.

"Nous pouvons exécuter plusieurs solveurs en parallèle et optimiser nos produits avec HEEDS. L'utilisation des plans d'expériences HEEDS a été inestimable pour améliorer l'efficacité de notre processus analytique. Ils peuvent facilement économiser 30 à 50 % de notre temps d'analyse. Nous pouvons exécuter des centaines de solutions via HEEDS en une semaine, ce qui aurait pris plus de deux semaines auparavant."

Contraintes de conception complexes et en concurrence

"Tous les produits que nous construisons pour les missions spatiales nécessitent des tests approfondis de bout en bout pour prouver qu'ils sont prêts pour toute la durée de la mission", explique M. Stoumbos. "Avec des opérations spatiales et des programmes de plusieurs millions de dollars, il n'y a pas la possibilité de revenir en arrière et réparer quelque chose une fois lancé. Ce n'est tout simplement pas possible à l'heure actuelle. Cela pourrait devenir possible à l'avenir. C'est pourquoi nous effectuons des tests approfondis.

"Il est important que nos simulations soient directement liées aux différents tests au niveau du système et des sous-systèmes. Nous utilisons Simcenter Testlab pour relier toutes ces données de test de véhicules spatiaux, de l'électricité statique à la dynamique, en passant par les chocs et les modèles numériques, puis la corrélation détaillée des modèles. Nous créons une boucle qui alimente les tests en informations analytiques et transporte les informations du test vers les modèles analytiques en retour, ce qui nous permet d'effectuer des corrélations détaillées sur notre parcours vers le jumeau numérique. Ces modèles corrélés, un jumeau numérique complet de notre matériel de vol et de nos systèmes spatiaux, nous permettent de mener à bien nos prédictions environnementales et permettent l'extrapolation des données de mission pour obtenir des résultats précis provenant d'autres cas de mission."

Schéma 4. Visualisation d'un satellite et de ses équipements.

Infrastructure logicielle interne pour équilibrer les attributs

Pour accélérer le processus de conception en interne, l'équipe a élaboré sa propre infrastructure logicielle multidisciplinaire d'analyse structurelle et d'optimisation de la conception (MSADO) afin d'équilibrer les attributs des missions, tels que les charges vibratoires du lanceur, le chauffage thermique orbital et l'acoustique, avec de nombreuses contraintes en termes de conception. L'infrastructure est utilisée pour déterminer les interactions structurelles avec différents environnements orbitaux lors de la conception de systèmes spatiaux complexes pour des missions de satellites dans l'espace lointain. Récemment, l'infrastructure logicielle MSADO a été étendue à la logistique spatiale coopérative et aux missions d'entretien des satellites en orbite. Il s'agit de missions complexes qui comprennent des systèmes robotiques élaborés et des systèmes d'amarrage critiques.

La transparence et l'interconnectivité des outils Simcenter ainsi que la continuité numérique fournie par Siemens Xcelerator, qui peuvent être observées avec Teamcenter Simulation et les logiciels de CAO NX™, réduisent considérablement le temps nécessaire à la mise en place de l'infrastructure logicielle MSADO pour chaque mission ou projet.

"Nous sommes très enthousiasmés par ce processus et sa contribution future à l'exploitation de nombreux systèmes satellitaires", a déclaré M. Stoumbos.

"Nous sommes convaincus que cela améliorera le cycle de conception de nos futurs véhicules spatiaux, ainsi que les missions lunaires et martiennes."

Schéma 5 : Simcenter 3D est utilisé pour effectuer une analyse des contraintes afin d'étudier les mécanismes de défaillance des matériaux composites.

Travailler ensemble dans le nouvel écosystème de l'industrie spatiale

Il existe une longue liste de fournisseurs, de vendeurs et de propriétaires de sous-systèmes qui contribuent à la construction d'un satellite ou d'une station spatiale. En tant qu'intégrateur principal, Northrop Grumman Space Systems, Tom Stoumbos et son équipe n'ont pas à s'inquiéter de savoir si les outils avec lesquels ils travaillent sont compatibles avec la continuité numérique Siemens Xcelerator.

"Siemens Xcelerator permet à nos modèles CAO et IAO de "communiquer" entre eux, quel que soit le développeur", explique M. Stoumbos. "Cela permet de gagner un temps considérable, car la conversion des modèles prend généralement beaucoup de temps et peut entraîner des erreurs de modélisation."

"Un satellite parcourt jusqu'à quelques millions de degrés de liberté", explique M. Stoumbos. "En tant qu'intégrateur de systèmes par excellence, nous nous devons d'aligner tous les sous-systèmes, les modèles numériques et les modèles mathématiques que nous recevons des clients et des fournisseurs. Avec l'aide de Siemens, nous pouvons intégrer les modèles de manière transparente, exécuter l'analyse de simulation, obtenir des résultats précis et interagir directement avec le client grâce à notre jumeau numérique de véhicule spatial.

L'objectif ultime de Northrop Grumman Space Systems est de créer un jumeau numérique en temps réel au sein d'une continuité numérique.

"Northrop Grumman et Siemens partagent le même objectif d'une continuité numérique pure, selon laquelle les modèles de système seront en mesure de représenter avec précision le système physique et nous permettront d'effectuer des simulations en temps réel pendant la mission, alors que le véhicule ou le satellite est en orbite », explique M. Stoumbos. "S'il y a un problème ou une découverte spécifique, nous pouvons toujours revenir au jumeau numérique et essayer de comprendre ce qui s'est passé pendant la mission."

Schéma 6. Analyse dynamique du comportement d'un satellite.

Un jumeau numérique précis de HALO pour les générations futures

La conception de HALO a passé avec succès des examens préliminaires et critiques de conception, l'un des nombreux points de contrôle pour les projets d'ingénierie complexes.

La conception du vaisseau spatial est en cours de validation pour s'assurer que le système global est sûr et fiable pour le vol et répond aux exigences de mission de la NASA. HALO fait actuellement l'objet d'une conception détaillée plus poussée ainsi que d'un développement du matériel. Une fois validé, ce modèle servira de base au jumeau numérique HALO sur lequel les futures générations d'ingénieurs s'appuieront.

Une équipe multidimensionnelle et multigénérationnelle donnera finalement vie à HALO dans les locaux de Northrop Grumman à Gilbert, en Arizona, et pourra puiser dans son expérience en termes de production et d'intégration de systèmes spatiaux pour préparer le module spatial au lancement.

"En une décennie ou deux, nous sommes passés de la conception de satellites de communication au développement de systèmes robotiques complexes pour l'entretien au cours de missions dans l'espace, et évoluons vers un jumeau numérique pour les futurs véhicules spatiaux", explique M. Stoumbos. "C'est un rythme incroyable d'innovation. Siemens a la vision et propose l'ensemble des outils qui nous permettent de passer rapidement à la digitalisation et à la simulation d'ingénierie avancée. Nous espérons continuer à nous développer aux côtés de notre partenaire Siemens."