Использование Femap помогает НАСА разрабатывать космический телескоп нового поколения

Пример внедрения: Центр космических полетов имени Годдарда, НАСА

Построение машины времени

Использование программного обеспечения Femap™ от Siemens PLM Software помогает НАСА разработать машину времени. Космический телескоп им. Джеймса Уэбба (JWST) – орбитальная обсерватория, запуск которой запланирован на 2018 год, – будет работать на орбите высотой 1,5 миллиона километров над поверхностью Земли. Его задача амбициозна: как сообщается на сайте JWST, она заключается в изучении каждого этапа космической истории «от первых неярких отсветов после Большого взрыва до формирования галактик, звезд и планет и эволюции нашей Солнечной системы». Телескоп будет смотреть сквозь световые годы в прошлое.

Причем это отнюдь не замена космическому телескопу «Хаббл», поскольку JWST является инфракрасным телескопом, что позволяет наблюдать более отдаленные объекты с большим красным смещением. «Хаббл» же используется для изучения Вселенной в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне. Имея габариты 22 на 12 метров, JWST будет почти таким же, как Boeing 737, в то время как «Хаббл» по своим размерам напоминает грузовик с прицепом.

Площадь отражающего зеркала полностью развернутого JWST в семь раз больше, чем у «Хаббла». Телескоп будет запущен в космос ракетой Ariane 5 со стартовой площадки Европейского космического агентства (ESA) во Французской Гвиане.

Обсерватория JWST будет иметь как горячий, так и холодный борт. Горячий борт обсерватории космического корабля содержит блоки управления, наведения и связи, а также щит, блокирующий тепло и излучение Солнца, Земли и Луны. Холодный борт JWST, где разместится оборудование – научное сердце телескопа, будет функционировать при температурах, близких к абсолютному нулю.

Среди основных приборов, которые будут введены в эксплуатацию, – камера ближней (длинноволновой) инфракрасной области (NIRCam), предоставляемая университетом штата Аризона; спектрограф ближней инфракрасной области (NIRSpec), предоставленный ЕSА; дополнительная измерительная аппаратура, предоставляемая Центром космических полетов имени Годдарда (GSFC); инструмент средней инфракрасной области (МIRI), предоставляемый совместно ЕSА и Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL); датчик точного наведения/тепловизора ближней инфракрасной области спектра и бесщелевой спектрограф, предоставляемые Канадским космическим агентством.

В работе над созданием JWST принимают участие более 1000 специалистов из 17 стран, в том числе – сотрудники академических и промышленных партнеров ATK, Ball Aerospace, ITT, Lockheed Martin, Northrop Grumman (генеральный подрядчик) и Научный институт космического телескопа.

Результаты некоторых исследований могут направляться для анализа в Femap

Команда создателей JWST, работающая на трех континентах, обеспечивает проектирование, тестирование, строительство и монтаж оборудования. Сейчас упомянутые выше инструменты находятся в стадии разработки и проходят испытания с использованием различных систем автоматизированного решения инженерных задач (CAE) для модального, теплового анализа, температурных деформаций и анализа прочности конструкций. Интеграция всех этих работ по анализу и моделированию в одно целое – это стандартное применение Femap командой JWST для пре- и постобработки.

«Мы используем Femap как пре- и постпроцессор, – говорит Эммануэль Кофи, занимающийся проведением анализа температурных деформаций конструкции ISIM (шасси для установки приборов). – Команда механического проектирования предоставляет нам CAD-файлы, и мы с помощью Femap создаем сетку для своей математической модели, а после анализа методом конечных элементов просматриваем состояние и форму конструкции при различных условиях нагружения. Это основной инструмент, который мы используем для визуализации конструкции в процессе эксплуатации и при запуске перед тестированием в реальных условиях».

Поскольку у JWST будет лишь одна возможность для успешного запуска, каждая часть и сборка каждой системы должна быть тщательно проверена на Земле, чтобы убедиться, что все инструменты будут функционировать без сбоев. Симуляция работы JWST на Земле является единственным способом определить, как обсерватория будет функционировать в реальных условиях. Это единственная в своем роде работа на заказ.

Используя решатели CAE в сочетании с Femap, инженеры НАСА проводят моделирование с целью выявления возможных контактов частей JWST между собой при деформации, определения прочности деталей и узлов и их способности выдержать чрезмерный нагрев, низкую температуру и вибрации, которые они будут испытывать во время запуска и в реальных условиях эксплуатации.

«Femap – очень полезный и доступный инструмент с оптимальным соотношением “цена/качество”, – говорит Марк Макгиннис, руководитель группы температурных деформаций Центра космических полетов имени Годдарда. – Он позволяет успешно анализировать состав и тепловые характеристики системы и ее составных частей. Femap прост в освоении и использовании, а также обеспечивает эффективную работу с любым решателем». По его оценкам, программное обеспечение постоянно используют, по меньшей мере, 75 инженеров НАСА в Годдарде.

«Например, мы будем импортировать модель сборки объединительной платы от подрядчика и заполнять ее 18-ю зеркалами, чтобы представить себе их собранными вместе, – продолжает Марк Макгиннис. – Мы должны быть уверены, что узлы по границам сеток совпадают должным образом. Затем эти узлы используются для создания сетки с более чем 8 миллионами узлов, что делает модель с вычислительной точки зрения очень большой. Мы собираем модель в единое целое с помощью Femap».

Большинство инженеров, работающих на JWST, использовали Femap еще в середине 1990-х годов. Эммануэль Кофи вспоминает, что этот программный продукт применялся еще в процессе разработки телескопа «Хаббл». «В те дни, как и сегодня, мы использовали его для решения многих задач, – говорит он. – Femap помогает понять условия нагружения, так что мы можем взять конструкцию, запустить анализ и посмотреть, что становится горячим, а что холодным. Это помогает нам понять, можно ли создать такую конструкцию».

Марк Макгиннис соглашается с тем, что ключевым преимуществом, которое обеспечивает Femap при постобработке, является визуализация: «Инженер может легко понять математические результаты анализа, произведенного решателем. Но визуализация этих результатов с использованием Femap является важным преимуществом, поскольку позволяет увидеть именно то, что происходит».

Multiple analysis applications feed into Femap

Designing, testing, building and assembling JWST is a team effort, taking place on three continents. The instruments now under development are being tested using a variety of computer-aided engineering (CAE) solvers for modal, thermal, thermal distortion and structural analysis. Gluing all this analysis and simulation work together is Femap, the JWST team’s standard application for pre- and postprocessing.

“We use Femap as the pre- and postprocessor,” says Emmanuel Cofie, who leads thermal distortion analysis on the ISIM (integrated structural instrument model). “The mechanical design team provides us with CAD files and we use Femap to generate meshes for our mathematical model and, after finite element analysis, to extract results and view the condition and state of the structure under the various load conditions. It is the primary tool we use for visualization of the structure in its operational/launch states before actual environmental testing.”

Because there will be only one opportunity for the JWST to succeed, every part and assembly of every system needs to be thoroughly tested on Earth to ensure that all instruments will function flawlessly under expected conditions. Simulating the JWST’s performance on Earth is the only way to determine that the observatory will function once it is in place. It’s a one-of-a-kind, custom job.

Using CAE solvers in conjunction with Femap, NASA engineers conduct simulations to ensure each part does not interfere with another and that parts and assemblies have sufficient strength and can withstand extreme heat or cold and vibrations experienced during launch and normal operating conditions. “Femap is a very usable tool that is at once very affordable and also provides high value,” says Mark McGinnis, thermal distortion working group leader at Goddard. “It enables us to carry out our mission of analyzing the structural and thermal performance of parts and systems. Femap is easy to learn and use, and works well with any solver.” He estimates that the software is used frequently by at least 75 NASA engineers at Goddard.

“For example, we will import a back plane sub-assembly model from a contractor and populate it with 18 mirrors to visualize how they come together,” says McGinnis, “We need to be sure the interface grids are coincident as they are supposed to be, and then use it to build the more than 8 million required grids, which makes a very large model from a computing standpoint. We assemble the model using Femap.”

Most of the engineers working on the JWST have used Femap as far back as the mid-1990s. Cofie recalls using Femap during the development of Hubble. “We used it for a lot in those days and we continue to use it,” he says. “Femap helps us understand loading conditions so we can take a structure, run the analysis and see what gets hot and what gets cold. It helps us visualize whether or not a model is feasible.”

McGinnis agrees that the visibility Femap provides in postprocessing is a key advantage. “An engineer can easily understand the mathematical results of an analysis conducted with a solver,” he says. “But visualizing analysis results using Femap is an important benefit, showing you exactly what is going on.”