설계 공간 탐색 프로세스를 자동화하여 해석 시간 30%~50% 단축

지속적인 달 탐사

NASA의 HALO(Habitation and Logistics Outpost, 거주 및 물류 모듈)와 루나 게이트웨이(Lunar Gateway)는 지속적인 달 표면 탐사를 위한 발판이자 달과 그 너머의 목적지에 대한 장기 탐사의 첫걸음이 될 것입니다.

HALO와 루나 게이트웨이 메가 프로젝트에는 NASA, Northrop Grumman, SpaceX, 우주 산업 에코시스템의 수백 개의 기타 민간 기업과 ESA(유럽우주국), JAXA(일본 우주항공연구개발기구), 캐나다우주국 등 국제기구가 참여합니다.

HALO 설계는 Northrop Grumman의 다목적 우주선인 Cygnus호를 기반으로 구축되며, 이는 국제 우주 정거장에 보급품, 장비, 과학 실험 장비를 제공하는 거의 20개의 임무를 수행합니다.

엔지니어가 진지하게 공간 문제를 해결하고 있는 모습

Northrop Grumman은 HALO의 디지털 설계 및 엔지니어링을 통해 우주 문제 해결 전문가 및 임무/우주 시스템 설계자로서의 명성을 한 단계 끌어올리고 있습니다. Northrop Grumman은 우주선 성능 엔지니어링을 위한 Simcenter™ 소프트웨어를 포함한 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼을 사용하여 개발을 가속하고, 복잡성을 관리하고, 파트너 및 공급업체 간에 방대한 데이터를 공유하고, 프로젝트 효율을 개선합니다.

시뮬레이션 및 테스트 책임자인 Tom Stoumbos 박사는 Northrop Grumman의 디지털 트랜스포메이션을 주도하는 선구적인 엔지니어입니다. Stoumbos와 100명 이상의 전문가로 구성된 그의 팀은 저궤도 선회 위성에서 심우주 임무에 이르기까지 다양한 장기 프로젝트를 진행하고 있습니다. 여기에는 루나 게이트웨이 및 아르테미스(Artemis) 임무가 포함됩니다.

그림 1. 타이컴 8 상업 위성

디지털화를 위한 노력

Stoumbos와 그의 팀은 디지털 트랜스포메이션, 애자일 시뮬레이션, 가상 테스트, 산학 파트너십을 오랫동안 지원해 왔으므로 시뮬레이션 및 데이터 해석의 활용이 우주 탐사에서 성공하는 열쇠라는 것을 알고 있습니다.

Stoumbos는 "우주 산업에 입문한 초창기부터 시뮬레이션 및 테스트 도구를 사용하여 하드웨어 설계 환경을 가상으로 연구해 왔습니다."라고 말합니다. "Siemens는 이러한 모든 도구를 현재 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼에 통합하여 훌륭한 성과를 거두었습니다. 적절한 설계 해석, 설계를 실행하는 하드웨어와의 긴밀한 연결을 통해 디지털 영역에서 작업하고, 임무 요구사항을 적절하게 해석하고 제어할 수 있다는 것은 상당한 이점입니다.

그림 2. 궤도 탄소 관측소-2(OCO-2)

디지털 영역의 무한한 가치

Stoumbos와 그의 팀은 혹독한 환경에 노출되기 때문에 요구사항이 엄격한 우주선 설계를 수행합니다. 여기에는 취급, 발사 및 분리 중 극도의 열, 기계, 동적 및 진동 음향 환경뿐만 아니라 임무 운영, 해석, 설계 최적화 및 테스트가 포함됩니다. 이 모든 요소를 검토하면 임무 설계 및 달 탐사 프로젝트에 대한 다양한 과제가 제시됩니다.

Stoumbos는 "Siemens는 제품과 함께 성장한다는 측면에서 Northrop Grumman과 유사한 비전을 가지고 있습니다."라고 말합니다. "우리 팀은 강력하고 사용자 친화적인 Simcenter 사전 포스트 프로세서 및 솔버를 사용하여 응력, 동역학, 키네마틱, 충격 활용, 강체, 유연체를 포함한 모든 종류의 시뮬레이션을 수행합니다. 이러한 모든 해석은 HEEDS를 사용하여 간소화할 수 있습니다. HEEDS에서만 사용 가능한 획기적인 검색 전략을 통해 제품을 개선하고 개발 비용을 대폭 절감하는 새로운 설계 개념을 파악할 수 있습니다. Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼에서 Simcenter 도구를 상호 연결하고 통합하는 것은 상당히 획기적이었습니다."

또한 팀은 복잡한 프로세스 전반에 걸쳐 디지털 스레드가 정확하게 실행되도록 Teamcenter® Simulation 소프트웨어와 같은 Siemens Xcelerator 솔루션을 사용할 뿐만 아니라, Simcenter Testlab™ 소프트웨어, Simcenter 3D, Simcenter Nastran, Simcenter Amesim™ 소프트웨어, Simcenter Multimech™ 플랫폼, Siemens Xcelerator의 일부인 실험 설계용 HEEDS™ 소프트웨어를 포함한 기타 고급 엔지니어링 도구를 사용합니다.

그림 3. Northrop Grumman의 팀은 HEEDS를 사용하여 다양한 유형의 해석을 연결합니다.

공통 디지털 스레드 및 최적의 DoE 네트워크

팀은 공통 스레드를 사용하여 Simcenter로 해석을 실행하고 우주선 시스템 및 하위 시스템 모델을 업데이트하는 데 걸리는 시간을 최소화합니다.

이 팀은 매주 수 테라바이트의 해석 및 테스트 데이터를 생성합니다. Siemens 전문가와 긴밀히 협력하여 복잡한 시뮬레이션 프로세스, 여러 요구사항, 시스템 수준 보고에 맞게 Teamcenter 시뮬레이션을 맞춤화했습니다.

Stoumbos는 "Siemens와 협력하여 이러한 모든 핵심 도구의 통합으로 분석적이고 일종의 결정론적인 직렬 프로세스에서 최적의 실험 설계 네트워크로 전환하고 있습니다."라고 말합니다. "수많은 분석을 동시에 수행할 수 있습니다. 분석 전문가들은 충분한 구조와 인사이트를 제공하는 스크럼 프로젝트 관리 프레임워크를 통해 민첩한 환경에서 운영합니다. 이를 통해 직원과 팀이 어떻게 최적으로 협력하여 올바른 해석 작업을 추가하는지 확인하며 설계를 최적화합니다.

"솔버를 동시에 실행하고 HEEDS를 통해 제품을 최적화할 수 있습니다. HEEDS 실험 설계 사용은 분석 프로세스의 효율 개선에 상당히 기여했습니다. 해석 시간의 30%~50%를 쉽게 절약할 수 있습니다. 수천 개의 솔루션을 실행하는 데 이전에는 몇 주 이상 걸렸지만 지금은 HEEDS를 통해 일주일 만에 실행할 수 있습니다."

복잡하고 상충하는 설계 제약 조건

Stoumbos는 "우주 임무를 위해 제작한 모든 제품은 광범위한 엔드 투 엔드 테스트를 실행하여 임무 기간 동안 작업을 수행할 준비가 되었음을 확인해야 합니다."라고 말합니다. "우주 작전과 수백만 달러 규모의 프로그램을 통해 한 번 발사되면 다시 귀환하여 수정할 수 없습니다. 현재는 불가능하지만 앞으로는 가능할 수도 있습니다. 이와 같은 이유로 광범위한 테스트를 수행합니다.

"시뮬레이션이 다양한 시스템 수준 및 하위 시스템 수준 테스트와 직접적으로 관련되는 것이 중요합니다. Simcenter Testlab을 사용하여 정적에서 역학 및 충격에 이르기까지 모든 우주선 테스트 데이터를 디지털 모델에 연결한 다음 세부 모델 상관 관계를 분석합니다. 분석 정보를 테스트에 공급하고 테스트에서 다시 분석 모델로 공급하는 루프를 생성하여 디지털 트윈을 형성하는 과정에서 자세한 상관 관계를 분석할 수 있습니다. 비행 하드웨어 및 우주 시스템의 포괄적인 디지털 트윈인 이러한 상관 모델을 통해 환경 예측을 성공적으로 수행하고 다른 임무 사례에서 정확한 결과를 얻은 임무 데이터를 외삽할 수 있습니다."

그림 4. 위성과 그 장비의 시각 이미지

내부 프레임워크를 통한 속성의 균형 유지

팀은 내부적으로 설계 프로세스를 가속하기 위해 자체 MSADO(다분야 구조 해석 및 설계 최적화) 프레임워크를 구축하여 발사체 진동 하중, 궤도 열 가열, 음향과 같은 임무 속성과 수많은 설계 제약 조건 간에 균형을 맞췄습니다. 이 프레임워크는 심우주 위성 임무를 위한 복잡한 우주 시스템을 설계할 때 다양한 궤도 환경과의 구조적 상호 작용을 결정하는 데 사용됩니다. 최근에는 MSADO 프레임워크가 협력 우주 물류 및 궤도 내 위성 서비스 임무로 확장되었습니다. 이는 정교한 로봇 시스템과 미션 크리티컬 도킹 시스템을 포함하는 복잡한 임무입니다.

Simcenter 도구의 개방성과 상호연결성은 물론 Teamcenter Simulation, NX™ CAD 소프트웨어 등 Siemens Xcelerator가 제공하는 디지털 스레드를 통해 각 임무 또는 프로젝트에 대한 MSADO 프레임워크를 설정하는 데 필요한 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

Stoumbos는 "이 프로세스의 진행에 큰 기대를 걸고 있으며, 이를 통해 다수의 위성 시스템 운영에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망됩니다."라고 말합니다.

"이를 통해 향후 우주선 설계 해석은 물론 달 및 화성 탐사 임무의 설계 주기를 개선할 수 있을 것으로 확신합니다."

그림 5. Simcenter 3D를 사용하여 응력 해석을 실행하고 복합 재료의 파손 거동을 연구합니다.

새로운 우주 산업 에코시스템을 위한 협력

수많은 공급업체, 벤더 및 하위 시스템 소유자가 위성 또는 우주 정거장 건설에 기여하고 있습니다. 주요 통합업체인 Northrop Grumman Space Systems 그리고 Stoumbos와 그의 팀은 함께 작동하는 도구가 Siemens Xcelerator 디지털 스레드와 호환되는지 우려하지 않아도 됩니다.

Stoumbos는 "Siemens Xcelerator를 사용하면 누가 개발하든지 관계없이 CAD 모델과 CAE 모델이 상호작용할 수 있습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "모델 변환은 일반적으로 시간이 많이 걸리고 모델링 오류가 발생할 수 있으므로 상당한 시간이 절약됩니다.

"위성은 최대 수백만 개의 자유도까지 작동합니다." "궁극적인 시스템 통합업체로서 실행할 임무는 고객과 벤더로부터 받은 모든 하위 시스템, 디지털 모델 및 수학적 모델을 정렬하는 것입니다. Siemens의 지원으로 우주선 디지털 트윈을 활용하여 모델을 원활하게 통합하고, 시뮬레이션 해석을 실행하고, 정확한 결과를 얻고, 고객과 직접 상호작용할 수 있습니다."

Northrop Grumman Space Systems의 궁극적인 목표는 디지털 스레드 내에서 실시간 디지털 트윈을 구현하는 것입니다.

Stoumbos는 "Northrop Grumman과 Siemens는 시스템 모델이 물리적 시스템을 정확하게 표현하고 우주선이나 위성이 궤도에 있는 동안 임무 중에 실시간으로 시뮬레이션을 수행할 수 있는 순수 디지털 스레드라는 공통의 목표를 공유하고 있습니다."라고 말합니다. "특정 문제가 있거나 이를 발견하는 경우 언제든지 디지털 트윈으로 돌아가 임무 중에 어떤 문제가 일어났는지 파악할 수 있습니다."

그림 6. 위성의 동적 거동 분석

미래 세대를 위한 HALO의 정확한 디지털 트윈

HALO 설계는 복잡한 엔지니어링 프로젝트에 대한 일련의 체크포인트 중 하나인 예비 및 중요 설계 검토를 성공적으로 거쳤습니다.

우주선의 설계를 검증하여 전체 시스템이 비행하기에 안전하고 신뢰할 수 있으며 NASA의 임무 요구사항을 충족하는지 확인하고 있습니다. HALO는 현재 하드웨어 개발뿐만 아니라 추가 상세 설계를 진행하고 있습니다. 이 모델이 검증을 마치면 차세대의 엔지니어가 구축할 HALO 디지털 트윈의 기반이 될 것입니다.

여러 세대로 이루어진 다면적인 팀은 결국 Northrop Grumman의 Gilbert Arizona 시설에서 HALO를 구현할 것이며, 우주 시스템 생산 및 통합 경험을 활용하여 우주 모듈 발사를 준비할 수 있습니다.

Stoumbos는 "10년 또는 20년 동안 통신 위성 설계에서 우주 임무를 수행하기 위한 복잡한 로봇 시스템 개발까지 진행했으며, 미래 우주선을 위한 디지털 트윈으로 나아가고 있습니다."라고 말합니다. "이는 놀라운 속도로 혁신을 이룩한 것입니다. Siemens는 디지털화 및 고급 엔지니어링 시뮬레이션으로 빠르게 전환하도록 지원하는 비전과 도구 제품군을 갖추고 있습니다. 우리는 파트너로서 Siemens와 함께 계속 성장하기를 희망합니다."