Automazione del processo di esplorazione dello spazio di progettazione per ridurre i tempi di analisi dal 30 al 50%

Esplorazione lunare prolungata

L'Habitation and Logistics Outpost (HALO) della NASA e il suo Lunar Gateway fungeranno da tappa per l'esplorazione prolungata della superficie lunare e da fase verso l'esplorazione a lungo termine della Luna e delle destinazioni successive.

I megaprogetti HALO e Lunar Gateway coinvolgono la NASA, Northrop Grumman, SpaceX e centinaia di altre società private nell'ecosistema dell'industria spaziale, nonché aziende internazionali come l'Agenzia spaziale europea (ESA), la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) e l'Agenzia spaziale canadese.

Il design di HALO si basa sulla navicella spaziale Cygnus di Northrop Grumman, un veicolo versatile che ha partecipato a quasi 20 missioni allo scopo di consegnare rifornimenti, attrezzature ed esperimenti scientifici alla Stazione Spaziale Internazionale.

Un vero risolutore di problemi spaziali

Con la progettazione digitale e l'ingegneria di HALO, Northrop Grumman sta portando la sua reputazione di risolutore di problemi spaziali e architetto di sistemi spaziali, di missioni e spazio a un livello superiore. Northrop Grumman si affida alla piattaforma aziendale Siemens Xcelerator di software, hardware e servizi, tra cui
software Simcenter™ per l'ingegneria delle prestazioni dei veicoli spaziali, per accelerare lo sviluppo, gestire la complessità, condividere grandi quantità di dati tra partner e fornitori e migliorare l'efficienza dei progetti.

Il Dr. Tom Stoumbos, leader della simulazione e dei test, è uno dei pionieri che guidano la trasformazione digitale di Northrop Grumman. Stoumbos e il suo team di oltre 100 esperti lavorano su progetti a lungo termine che vanno dai satelliti in orbita terrestre bassa alle missioni nello spazio profondo. Ciò include le missioni
Lunar Gateway e Artemis.

Figura 1. Satellite commerciale Thaicom 8.

Sostenere la digitalizzazione

Sostenitore di lunga data della trasformazione digitale, della simulazione agile, dei test virtuali e delle partnership tra industria e università, Stoumbos e il suo team si rendono conto che sfruttare la simulazione e l'analisi dei dati è la chiave per avere successo nell'esplorazione spaziale.

"Fin dai miei primi giorni nell'industria spaziale ho utilizzato strumenti di simulazione e test per esplorare virtualmente l'universo della progettazione hardware", afferma Stoumbos. "Siemens ha fatto un lavoro straordinario riunendo tutti questi strumenti in quella che ora è la piattaforma aziendale Siemens Xcelerator. È inestimabile poter lavorare nel regno digitale con analisi di progettazione adeguate, connessioni solide con l'hardware che progettiamo e analisi e controlli corretti dei requisiti di missione."

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

Il regno digitale non ha prezzo

Stoumbos e il suo team lavorano su progetti di veicoli spaziali con requisiti estremamente rigorosi dovuti all'esposizione ad ambienti avversi. Ciò include ambienti termici, meccanici, dinamici e vibroacustici estremi durante la movimentazione, il lancio e la separazione, nonché le operazioni di missione,
l'analisi, l'ottimizzazione del design e i test. L'esame di tutto ciò presenta una serie di sfide per la progettazione delle missioni e i progetti di esplorazione lunare.

"Siemens ha una visione simile a quella di Northrop Grumman in termini di crescita con il prodotto", afferma Stoumbos. "Il nostro team esegue tutti i tipi di simulazione, tra cui sollecitazioni, dinamiche, cinematica, utilizzo degli urti e corpi rigidi e flessibili utilizzando gli avanzati e intuitivi pre e post processori e solutori Simcenter. Tutte queste analisi possono essere ottimizzate utilizzando HEEDS. Grazie alle rivoluzionarie
strategie di ricerca disponibili solo in HEEDS, è possibile scoprire nuovi concetti di progettazione in grado di migliorare i nostri prodotti e ridurre significativamente i costi di sviluppo. L'interconnessione e l'integrazione degli strumenti Simcenter nella piattaforma aziendale Siemens Xcelerator è stata rivoluzionaria per noi."

Il team si avvale anche delle soluzioni Siemens Xcelerator, come il software Teamcenter® Simulation, per mantenere il digital thread in esecuzione in modo accurato in processi complessi, nonché di altri
strumenti di ingegneria avanzati, tra cui il software Simcenter Testlab™, Simcenter 3D, Simcenter Nastran, il software Simcenter Amesim™, la piattaforma Simcenter Multimech™ e il software HEEDS™ per la progettazione di esperimenti, che fanno tutti parte di Siemens Xcelerator.

Figura 3. Il team di Northrop Grumman utilizza HEEDS per collegare diversi tipi di analisi.

Un digital thread comune e una rete DoE ottimale

Il team utilizza thread comuni per eseguire analisi con Simcenter, riducendo al minimo il tempo necessario per aggiornare i sistemi dei veicoli spaziali e i modelli dei sottosistemi.

Il team genera diversi terabyte di dati analitici e di test ogni settimana. Ha lavorato a stretto contatto con gli esperti Siemens per personalizzare Teamcenter Simulation in base ai complessi processi di simulazione, ai molteplici requisiti e ai report a livello di sistema.

"Insieme a Siemens, abbiamo integrato tutti questi strumenti chiave, passando da un processo analitico, di tipo deterministico e seriale, a una rete ottimale di progettazione degli esperimenti", afferma Stoumbos. "Numerose analisi possono essere eseguite in parallelo. I nostri analisti operano in un ambiente agile con un framework di gestione dei progetti Scrum che fornisce una struttura e una visione sufficienti. In questo modo le nostre persone e i nostri team possono vedere come lavorano insieme in modo ottimale e aggiungere le analisi giuste per ottimizzare il progetto.

"Possiamo eseguire i solutori in parallelo e ottimizzare i nostri prodotti con HEEDS. L'utilizzo della progettazione degli esperimenti HEEDS è stato prezioso per migliorare l'efficienza del nostro processo analitico. Può facilmente far risparmiare dal 30 al 50% del tempo di analisi. Grazie a HEEDS, siamo in grado di eseguire centinaia di soluzioni
in una settimana, cosa che in precedenza ne avrebbe richieste oltre due."

Vincoli di progettazione complessi e concorrenti

"Tutti i prodotti che costruiamo per le missioni spaziali richiedono test end-to-end approfonditi per dimostrare che sono pronti per affrontare la missione", afferma Stoumbos. "Con le operazioni spaziali e i programmi multimilionari, non c'è possibilità di tornare indietro e riparare qualcosa una volta lanciato. Ora come ora non è proprio un'opzione, ma potrebbe diventarlo in futuro. Questo è il motivo per cui eseguiamo test approfonditi.

"È importante che le nostre simulazioni siano direttamente correlate ai vari test a livello di sistema e sottosistema. Utilizziamo Simcenter Testlab per collegare tutti questi dati di test dei veicoli spaziali, dai modelli statici a quelli dinamici
e agli urti fino ai nostri modelli digitali e quindi la correlazione dettagliata del modello. Creiamo un loop, che alimenta le informazioni analitiche nel test e dal test ai modelli analitici, consentendoci di eseguire correlazioni dettagliate nel nostro percorso verso il digital twin. Questi modelli correlati, un digital twin completo del nostro hardware di volo e dei sistemi spaziali, ci consentono di effettuare previsioni ambientali precise e di estrapolare i dati di missione con risultati accurati da altri casi di missione."

Figura 4. Visualizzazione di un satellite e delle sue apparecchiature.

Framework interno per bilanciare gli attributi

Per accelerare internamente il processo di progettazione, il team ha elaborato il proprio framework multidisciplinare di analisi strutturale e ottimizzazione della progettazione (MSADO) per bilanciare gli attributi per le missioni, come i carichi di vibrazione del veicolo di lancio, il riscaldamento termico orbitale e l'acustica con numerosi vincoli di progettazione. Il framework viene utilizzato per determinare le interazioni strutturali con diversi ambienti orbitali durante la progettazione di sistemi spaziali complessi per missioni satellitari nello spazio profondo. Recentemente, il quadro MSADO è stato esteso alla logistica spaziale cooperativa e alle missioni di manutenzione dei satelliti in orbita. Si tratta di missioni complesse che includono elaborati sistemi robotici e sistemi di attracco mission-critical.

L'apertura e l'interconnettività degli strumenti Simcenter, nonché il digital thread fornito da Siemens Xcelerator, come Teamcenter Simulation e i software CAD NX™, riducono significativamente il
tempo necessario per impostare il framework MSADO per ogni missione o progetto.

"Siamo entusiasti di questo processo e del contributo che darà a numerose operazioni di sistemi satellitari", afferma Stoumbos.

"Siamo fiduciosi che migliorerà il ciclo di progettazione per la nostra analisi futura del design del veicolo spaziale, nonché per le missioni lunari e marziane."

Figura 5. Simcenter 3D viene utilizzato per eseguire l'analisi delle sollecitazioni per studiare il comportamento di rottura dei
materiali compositi.

Lavorare insieme nel nuovo ecosistema dell'industria spaziale

Esiste un ampio elenco di fornitori, venditori e proprietari di sottosistemi che contribuiscono alla costruzione di un satellite o di una stazione spaziale. In qualità di integratore principale, Northrop Grumman Space Systems e Stoumbos e il suo team non devono preoccuparsi se gli strumenti con cui lavorano sono compatibili con il digital thread Siemens Xcelerator.

"Siemens Xcelerator consente ai nostri modelli CAD e CAE di 'parlare' tra loro indipendentemente da chi sia lo sviluppatore", afferma Stoumbos. "Ciò consente di risparmiare molto tempo, poiché la conversione del modello può essere molto lunga e causare errori di modellazione.

"Un satellite orbita fino a un paio di milioni di gradi di libertà", sostiene Stoumbos. "In qualità di integratore di sistemi definitivo, il nostro compito è quello di allineare tutti i sottosistemi, i modelli digitali e i modelli matematici che riceviamo da clienti e fornitori. Con l'aiuto di Siemens, possiamo integrare perfettamente i modelli, eseguire l'analisi della simulazione, ottenere risultati accurati e interfacciarci direttamente con il cliente utilizzando il nostro digital twin del veicolo spaziale."

L'obiettivo finale di Northrop Grumman Space Systems è un digital twin in tempo reale all'interno di un digital thread.

"Northrop Grumman e Siemens condividono lo stesso obiettivo di un digital thread puro, in cui i modelli del sistema saranno in grado di rappresentare accuratamente il sistema fisico e ci consentiranno di eseguire simulazioni in tempo reale durante la missione mentre il veicolo o il satellite è in orbita", afferma Stoumbos. "Se c'è un problema o una scoperta specifica, possiamo sempre tornare al digital twin e cercare di capire cosa è successo durante la missione."

Figura 6. Analisi del comportamento dinamico di un satellite.

Un digital twin accurato di HALO per le generazioni future

Il progetto HALO è stato sottoposto con successo a revisioni preliminari e critiche del progetto, uno di una serie di punti di controllo per progetti ingegneristici complessi.

Il design del veicolo spaziale è in fase di validazione per garantire che il sistema complessivo sia sicuro e affidabile per il volo e soddisfi i requisiti delle missioni NASA. HALO è attualmente in fase di ulteriore progettazione dettagliata e sviluppo hardware. Una volta validato, questo modello sarà la base per il digital twin HALO su cui si baseranno le future generazioni di ingegneri.

Un team poliedrico e multigenerazionale darà vita ad HALO presso la struttura di Gilbert Arizona di Northrop Grumman, che può attingere alla sua esperienza nella produzione e nell'integrazione di sistemi spaziali per preparare il modulo spaziale per il lancio.

"In un decennio o due, siamo passati dalla progettazione di satelliti di comunicazione allo sviluppo di sistemi robotici complessi per le missioni di manutenzione nello spazio e al passaggio a un digital twin per i futuri veicoli spaziali", afferma Stoumbos. "L'innovazione viaggia a un ritmo incredibile. Siemens possiede la visione e la suite di strumenti che ci consentono di passare rapidamente alla digitalizzazione e alla simulazione ingegneristica avanzata. Speriamo di continuare a crescere con l'aiuto del partner Siemens."