Automatyzacja procesu projektowania w ramach badań kosmicznych w celu skrócenia czasu analizy o 30–50%

Zrównoważona eksploracja Księżyca

Opracowywany przez NASA moduł mieszkalny Habitation and Logistics Outpost (HALO) i stacja Lunar Gateway będą jednym z etapów zrównoważonej, długoterminowej eksploracji powierzchni Księżyca i innych ciał niebieskich.

W realizację megaprojektów modułu HALO i stacji Lunar Gateway zaangażowana są amerykańska Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA), firma Northrop Grumman, SpaceX i setki innych prywatnych firm z branży kosmicznej, a także organizacje międzynarodowe, takie jak Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), Japońska Agencja Eksploracji Przestrzeni Kosmicznej (JAXA) i Kanadyjska Agencja Kosmiczna.

Projekt modułu HALO bazuje na statku kosmicznym Cygnus firmy Northrop Grumman, wszechstronnej jednostce, która brała udział w niemal 20 misjach ukierunkowanych na dostarczanie zaopatrzenia, sprzętu i eksperymentów naukowych na Międzynarodową Stację Kosmiczną.

Dostawca skutecznych rozwiązań poważnych problemów w przestrzeni kosmicznej

Dzięki wirtualnym funkcjom projektowania i inżynierii zastosowanym podczas rozwoju modułu HALO firma Northrop Grumman znacząco wzmocniła swoją reputację dostawcy skutecznych rozwiązań problemów w przestrzeni kosmicznej i architekta misji/systemów kosmicznych. Do inżynierii osiągów statków kosmicznych firma stosuje platformę biznesową Siemens Xcelerator obejmującą oprogramowanie, sprzęt i usługi, w tym oprogramowanie
Simcenter™, aby przyspieszyć rozwój, zarządzać złożonością, udostępniać duże ilości danych partnerom i dostawcom oraz poprawiać wydajność projektów.

Dr Tom Stoumbos, lider ds. symulacji i testów, jest jednym z pionierów transformacji cyfrowej w firmie Northrop Grumman. Stoumbos i jego zespół składający się z ponad 100 specjalistów pracuje nad długoterminowymi projektami, od satelitów umieszczanych na niskiej orbicie okołoziemskiej po misje realizowane w dalekiej przestrzeni kosmicznej, takie jak
Lunar Gateway i Artemis.

Ilustracja 1. Satelita komercyjny Thaicom 8.

Wspieranie transformacji cyfrowej

Stoumbos jest wieloletnim zwolennikiem transformacji cyfrowej, zwinnych symulacji, wirtualnych testów i partnerskiej współpracy z instytucjami akademickimi. On i jego zespół doskonale wiedzą, że stosowanie symulacji i analiz danych jest kluczem do sukcesu w eksploracji kosmosu.

„Od początku mojej pracy w branży kosmicznej używam narzędzi do symulacji i testowania, aby wirtualnie badać możliwości projektowania sprzętu” – mówi Stoumbos. „Firma Siemens wykonała ogromną pracę, łącząc wszystkie te narzędzia w platformę biznesową Siemens Xcelerator. Dysponujemy bezcennymi możliwościami pracy w sferze wirtualnej z właściwymi analizami projektu, ścisłymi powiązaniami z projektowanym przez nas sprzętem oraz narzędziami do analizy i kontrolowania wymagań misji”.

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

Sfera wirtualna oferuje bezcenne możliwości

Stoumbos i jego zespół pracują nad projektami statków kosmicznych, których dotyczą rygorystyczne wymagania z uwagi na trudne warunki ich eksploatacji, m.in. ekstremalne środowiska termiczne, mechaniczne, dynamiczne i wibroakustyczne podczas obsługi, startu i separacji, a także realizację misji,
analizy, optymalizację projektu i testy. Zbadanie tych wszystkich aspektów wiąże się z różnorodnymi wyzwaniami dotyczącymi projektowania misji i projektów eksploracji Księżyca.

„Z firmą Siemens łączą nas podobne wizje rozwoju wraz z produktem” – mówi Stoumbos. „Nasz zespół przeprowadza symulacje wszelkiego rodzaju, w tym symulacje naprężeń, dynamiki, kinematyk, z wykorzystaniem wstrząsów oraz brył sztywnych i elastycznych, przy użyciu wydajnych i przyjaznych dla użytkownika pre- i postprocesorów oraz solwerów dostępnych w ramach rozwiązania Simcenter. Wszystkie te analizy można usprawnić przy użyciu oprogramowania HEEDS. Dzięki rewolucyjnym,
dostępnym tylko w HEEDS mechanizmom wyszukiwania można odkryć nowe koncepcje projektowe, które pozwolą uzyskać lepszy produkt i znacznie zmniejszyć koszty związane z jego rozwojem. Połączenie i zintegrowanie narzędzi Simcenter z platformą biznesową Siemens Xcelerator było dla nas przełomowe”.

Zespół polega również na rozwiązaniach Siemens Xcelerator, takich jak oprogramowanie Teamcenter® Simulation, które zapewniają poprawność wątku cyfrowego obsługującego złożone procesy, a także inne
zaawansowane narzędzia inżynieryjne, w tym oprogramowanie Simcenter Testlab™, Simcenter 3D, Simcenter Nastran, oprogramowanie Simcenter Amesim™, platforma Simcenter Multimech™ i oprogramowanie HEEDS™ do projektowania eksperymentów, które również stanowią część platformy Siemens Xcelerator.

Ilustracja 3. Zespół firmy Northrop Grumman używa oprogramowania HEEDS do łączenia analiz różnego typu.

Wspólny wątek cyfrowy i optymalna sieć projektowania eksperymentów

Wykorzystują wspólne wątki cyfrowe do przeprowadzania analiz za pomocą rozwiązań Simcenter, aby maksymalnie skrócić czas aktualizowania modeli systemów i podsystemów statków kosmicznych.

Zespół generuje co tydzień kilka terabajtów danych analitycznych i testowych. W ścisłej współpracy ze specjalistami firmy Siemens dostosowali rozwiązanie do swoich złożonych procesów symulacji, licznych wymagań i raportowania na poziomie systemu.

„Wspólnie z firmą Siemens integrujemy wszystkie istotne narzędzia, odchodząc od analitycznego, deterministycznego i szeregowego procesu na rzecz optymalnej sieci projektowania eksperymentów” – mówi Stoumbos. „Dzięki temu jesteśmy w stanie przeprowadzać wiele analiz równolegle, a nasi analitycy pracują w zwinnym środowisku oferującym ramy zarządzania projektami Scrum, które zapewniają odpowiednią strukturę i wgląd w dane. W ten sposób pracownicy i zespoły mogą optymalizować współpracę i dodawać analizy niezbędne do uzyskania jak najlepszego projektu.

Możemy uruchamiać solwery równolegle i optymalizować nasze produkty przy użyciu oprogramowania HEEDS. Funkcje HEEDS w zakresie projektowania eksperymentów okazały się nieocenione dla zwiększenia wydajności procesu analitycznego. Pozwala to z łatwością zaoszczędzić od 30 do 50% czasu poświęcanego na analizę. Dzięki oprogramowaniu HEEDS możemy sprawdzać
tygodniowo setki rozwiązań, co kiedyś zajmowało nam kilka tygodni”.

Złożone i konkurujące ze sobą ograniczenia projektu

„Wszystkie produkty, które opracowujemy na potrzeby misji kosmicznych, wymagają szeroko zakrojonych, kompleksowych testów, które potwierdzą ich zdatność do pracy przez cały cykl życia misji” – mówi Stoumbos. „W przypadku kosztujących wiele milionów dolarów programów kosmicznych nie możemy się cofnąć, aby naprawić coś, co już opuściło Ziemię. W tej chwili jest to po prostu niemożliwe, chociaż być może będzie osiągalne w przyszłości. Dlatego też przeprowadzamy szeroko zakrojone testy.

Nasze symulacje muszą być bezpośrednio powiązane z różnymi testami na poziomie systemów i podsystemów. Rozwiązanie Simcenter Testlab pozwala nam połączyć i szczegółowo skorelować wszystkie dane testowe statków kosmicznych, od testów statycznych po
testy dynamiczne i wstrząsów, z modelami wirtualnymi. W ten sposób tworzymy pętlę, która przekazuje informacje analityczne do testu, a następnie z powrotem do modeli analitycznych, co pozwala nam na wykonanie szczegółowych korelacji w procesie tworzenia cyfrowego bliźniaka. Skorelowane modele, składające się na kompleksowego cyfrowego bliźniaka naszego sprzętu lotniczego i systemów kosmicznych, pozwalają nam efektywnie prognozować warunki środowiskowe i ekstrapolować dane misji z dokładnymi wynikami na podstawie innych przypadków”.

Ilustracja 4. Wizualizacja satelity i jego wyposażenia.

Wewnętrzna struktura umożliwiająca równoważenie atrybutów

Aby przyspieszyć wewnętrzny proces projektowania, zespół opracował własne ramy multidyscyplinarnych zestawów narzędzi do analizy i optymalizacji projektu (MSADO, ang. multidisciplinary structural analysis and design optimization), aby skutecznie równoważyć atrybuty misji, takie jak parametry drgań statku nośnego, nagrzewania termicznego na orbicie oraz parametry akustyczne, z licznymi ograniczeniami projektu. Przy ich użyciu można określać interakcje strukturalne z różnymi środowiskami orbitalnymi podczas projektowania złożonych systemów kosmicznych do misji realizowanych przez satelity w dalekiej przestrzeni kosmicznej. Ostatnio ramy MSADO rozszerzono o możliwości współpracy w zakresie logistyki kosmicznej i misje serwisowania satelitów na orbicie. Są to złożone przedsięwzięcia, które obejmują skomplikowane systemy robotyczne i systemy dokowania o znaczeniu kluczowym dla powodzenia misji.

Otwartość i wzajemne połączenia cechujące narzędzia Simcenter oraz wątek cyfrowy realizowany przy użyciu rozwiązań Siemens Xcelerator, takich jak oprogramowanie Teamcenter Simulation i NX™ CAD, znacznie skracają
czas potrzebny na skonfigurowanie ram MSADO na potrzeby poszczególnych misji lub projektów.

„Sam proces, jak i możliwości jego wykorzystania w wielu przyszłych programach systemów satelitarnych są niezwykle fascynujące” – mówi Stoumbos.

„Jesteśmy przekonani, że pozwoli to usprawnić cykl projektowania przyszłych analiz projektu statków kosmicznych, a także programów eksploracji Księżyca i Marsa”.

Ilustracja 5. Rozwiązanie Simcenter 3D służy do przeprowadzania analizy naprężeń w celu badania uszkodzeń
materiałów kompozytowych.

Współpraca w nowym ekosystemie branży kosmicznej

Budowa satelity lub stacji kosmicznej jest realizowana z udziałem bardzo dużej liczby dostawców, producentów i właścicieli podsystemów. Pełniąca funkcję ich głównego integratora firma Northrop Grumman Space Systems oraz Stoumbos i jego zespół nie muszą się martwić, czy używane przez nich narzędzia są kompatybilne z cyfrowym wątkiem zapewnianym przez platformę Siemens Xcelerator.

„Siemens Xcelerator pozwala naszym modelom CAD i CAE »komunikować się« ze sobą niezależnie od tego, przez kogo zostały opracowane” – mówi Stoumbos. „Pozwala to oszczędzić dużo czasu dzięki uniknięciu czasochłonnej konwersji modeli, która w dodatku może skutkować błędami modelowania.

W przypadku satelity mamy do czynienia z kilkoma milionami stopni swobody” – mówi Stoumbos. „Naszym zadaniem, jako najlepszego integratora systemów, jest dopasowanie wszystkich podsystemów, modeli wirtualnych i modeli matematycznych, które otrzymujemy od klientów i dostawców. Za pomocą rozwiązań firmy Siemens i cyfrowego bliźniaka statku kosmicznego jesteśmy w stanie bezproblemowo integrować modele, przeprowadzać analizy symulacji, uzyskiwać dokładne wyniki i bezpośrednio komunikować się z klientem”.

Celem firmy Northrop Grumman Space Systems jest utworzenie cyfrowego bliźniaka projektu aktualizowanego w czasie rzeczywistym w ramach wątku cyfrowego.

„Firmy Northrop Grumman i Siemens łączy wspólny cel w postaci czystego wątku cyfrowego, w którym modele systemu stanowią idealne odwzorowanie systemów fizycznych i umożliwiają przeprowadzanie symulacji w czasie rzeczywistym podczas misji, gdy rakieta lub satelita znajduje się na orbicie” – mówi Stoumbos. „W przypadku wystąpienia konkretnych problemów lub obserwacji możemy zawsze wrócić do cyfrowego bliźniaka i spróbować zrozumieć, co wydarzyło się podczas misji”.

Ilustracja 6. Dynamiczna analiza zachowania satelity.

Dokładny cyfrowy bliźniak modułu HALO dla przyszłych pokoleń

Projekt modułu HALO pomyślnie przeszedł wstępne i zasadnicze etapy weryfikacji projektu, stanowiące jeden z serii punktów kontrolnych złożonych projektów inżynieryjnych.

Projekt statku kosmicznego jest sprawdzany pod kątem bezpieczeństwa i niezawodności podczas lotu oraz zgodności z wymaganiami misji określonymi przez NASA. Obecnie HALO jest na etapie dalszego szczegółowego projektowania oraz rozwoju sprzętu. Po walidacji model stanie się podstawą cyfrowego bliźniaka modułu HALO, który będą rozwijać przyszłe pokolenia inżynierów.

Budową modułu zajmie się wielodyscyplinarny i wielopokoleniowy zespół w zakładzie firmy Northrop Grumman w Gilbert w Arizonie, który wykorzysta swoje doświadczenie w produkcji i integracji systemów kosmicznych, aby przygotować moduł do startu.

„W ciągu dziesięciu czy dwudziestu lat przeszliśmy od projektowania satelitów komunikacyjnych do opracowywania złożonych systemów robotycznych na potrzeby misji kosmicznych. Obecnie zmierzamy do opracowania cyfrowego bliźniaka przyszłych statków kosmicznych” – mówi Stoumbos. „To tempo wprowadzania innowacji jest wręcz zawrotne. Firma Siemens ma wizję i narzędzia, które pozwalają nam szybko przejść do wirtualizacji i zaawansowanych symulacji inżynieryjnych. Mamy nadzieję, że będziemy się nadal rozwijać dzięki tej współpracy”.