推进设计空间探索流程自动化，将分析用时缩短 30% 到 50%

持续探月之旅

美国国家航空航天局 (NASA) 的居住和后勤前哨站 (HALO) 以及月球门户将成为持续探月之旅的中转站。为了深入展开月球乃至更远目的地的探索，这也是人类必须要迈出的关键一步。

HALO 和月球门户大型项目牵涉到 NASA、诺思罗普·格鲁曼公司、SpaceX 和航天工业生态系统中的其他数百家私营公司，以及欧洲航天局 (ESA)、日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 和加拿大航天局等国际组织。

HALO 基于诺思罗普·格鲁曼公司的天鹅座宇宙飞船而设计建造。作为一种多用途飞行器，它现已参与执行近 20 次任务，主要向国际空间站输送物资、设备和科学实验。

认真严谨的航天问题解决者

凭借 HALO 数字化设计和工程，诺思罗普·格鲁曼公司将其太空问题解决者和任务/太空系统架构师的美誉进一步升华。诺思罗普·格鲁曼公司依托于 Siemens Xcelerator 软硬件和服务业务平台（其中包括用于航天器性能工程的 Simcenter™ 软件），旨在加速开发、管理复杂性、与合作伙伴和供应商共享海量数据，优化项目工作效率。

汤姆·斯通博斯博士作为诺思斯罗普·格鲁曼公司的仿真和测试负责人，是力促公司实施数字化转型的先锋人士之一。斯通博斯博士执掌着一支由 100 多名专家组成的精英团队，他和他的团队正热诚服务于长期项目，从低轨道地球卫星到深空任务，涉足的领域广泛而多元。这其中包括月球门户和阿尔忒弥斯任务。

图 1.Thaicom 8 商用卫星。

推广数字化

作为数字化转型、敏捷仿真、虚拟测试和产学合作的长期支持者，斯通博斯博士和他的团队很快认识到，要想在太空探索中取得成功，充分利用仿真和数据分析是一大关键。

斯通博斯博士表示：“从我最初进入航天工业开始，我就一直在使用各种仿真和测试工具，为的是虚拟探索硬件设计王国的神奇奥秘。“西门子将所有这些工具整合到如今的 Siemens Xcelerator 业务平台，这真的是利好的创举。现在我们可以透过合理化设计分析、充分结合硬件的使用以及适当地分析和管控任务要求，在数字化领域中达成多方无间协作，这一实践的价值意义是无穷的。”

图 2.轨道碳天文台 2 号（OCO-2）。

数字化领域商机价值无限

斯通博斯博士和他的团队致力于设计太空飞行器，这些飞行器本身在设计上要达到相当严苛的要求，它们要能够经受住暴露在恶劣环境下的真实考验。这包括在处理、发射和分离过程中承受热力、机械、动态和振动声学方面的各种极端环境，同时还要稳妥执行任务操作、分析、设计优化和测试。
上述实践研究要求无疑对任务设计和探月项目提出了诸多高难度挑战。

“西门子与诺思罗普·格鲁曼在产品发展愿景上不谋而合，”斯通博斯博士如是说。“我们的团队使用功能强大且用户友好的 Simcenter 前后处理器和求解器执行多种仿真操作，其中涉及到应力、动力学、运动学、冲击加载以及刚体和柔体等专业内容。上述各项分析皆可运用 HEEDS 实现去繁就简。凭借 HEEDS 的变革性搜索策略，我们可以发现能够改进产品并显著降低开发成本的新设计概念。
对我们而言，在 Siemens Xcelerator 业务平台中连通和集成 Simcenter 工具具有突破性意义。”

此外，该团队还受益于 Siemens Xcelerator 解决方案，例如 Teamcenter® Simulation 软件，在复杂流程中维护数字主线的精准贯彻运行，以及其他一些高端工程工具，包括 Simcenter Testlab™ 软件、Simcenter 3D、Simcenter Nastran、Simcenter Amesim™ 软件、Simcenter Multimech™ 平台以及用于实验设计的 HEEDS™ 软件。上述这些统统来自 Siemens Xcelerator。

图 3.诺思罗普·格鲁曼团队采用 HEEDS 来链接各类分析。

通用数字主线和至优 DoE 网络

该团队使用通用线程来运行 Simcenter 分析，尽可能地缩短了更新太空飞行器系统和子系统模型的用时。

该团队每周会生成多达数 TB 的分析和测试数据。他们与西门子专家聚力协作，定制设计 Teamcenter 仿真，以期满足自身复杂的仿真流程要求、多方面需求，并出具系统级报告。

斯通博斯博士表示：“我们联合西门子的优势力量，不断在集成各类关键工具，一路从分析式、确定性和串行流程蜕变成至优实验设计网络。“如今我们有能力进行大量的并行分析。我们的分析师在敏捷环境中运筹帷幄，Scrum 项目管理框架提供了充分到位的架构和洞察。如此一来，我们的员工和团队真正了解到如何更好地协同办公，适时引入合理化分析步骤以雕琢设计品质。

“我们可以并行执行求解器，然后使用 HEEDS 来优化我们的产品。将 HEEDS 应用于实验设计相当有成效，它显著提升了分析效率。它轻松节省了 30% 到 50% 的分析用时。我们如今有能力在一周内使用 HEEDS 运行数百个解决方案，而过去这样的操作要耗费几周时间。”

错综复杂且相互牵制的设计约束

“我们为执行太空任务制造的所有产品都要通过广泛的端到端测试，以此证实它们为任务的生命周期准备就绪，”斯通博斯博士如是说。“这关系到太空运营和价值数百万美元的项目，开弓没有回头箭。或许特定操作目前仍无法实现。但未来会解锁更多可能。这就是我们执行广泛测试的原因所在。

“对我们的仿真来说，与不同系统级和子系统级测试直接关联很有必要。我们采用 Simcenter Testlab 将所有太空飞行器的测试数据（从静态到动态和冲击）集于一体并返回至我们的数字化模型，随后进行详细的模型关联。
我们创建一个循环，将分析信息馈送到测试中，然后从测试反馈到分析模型，这样即可在实现数字孪生的过程中执行详细关联。这些关联模型代表着我们飞行硬件和太空系统的全面数字孪生，它支持我们成功完成环境预测，借助其他任务案例进行任务数据推断，从而生成准确结果。”

图 4.卫星及其设备的可视化。

平衡属性的内部框架

为了加速内部设计流程，该团队现已构建了专有的多学科结构分析和设计优化 (MSADO) 框架，旨在平衡运载火箭振动载荷、轨道热加热和声学等任务的属性，满足诸多设计约束。为深空卫星任务设计复杂太空系统时，该框架可有效确定与不同轨道环境的结构交互作用。最近，MSADO 框架已拓展到太空物流和在轨卫星服务协作任务。上述这些都是复杂任务，涉及到精密机器人系统和关键任务对接系统。

凭借 Simcenter 工具的开放性和互联性，外加 Siemens Xcelerator 提供的数字主线，例如 Teamcenter Simulation 和 NX™ CAD 软件，为每个任务或项目设置 MSADO 框架的用时大幅缩减。

“我们对这一流程及其未来对众多卫星系统运营的有力支持感到欣喜雀跃，”斯通博斯博士表示。

“我们有理由相信，它将改善我们日后的太空飞行器设计分析，同时优化月球和火星任务的设计周期。”

图 5.Simcenter 3D 可用于运行应力分析，以研究复合材料的失效特性。

在新的航天工业生态系统中携手共进

贡献于建造卫星或空间站的供应商、分包商和子系统所有者名单众多。作为主要集成商，诺思罗普·格鲁曼和斯通博斯及其团队无需担心他们使用的工具是否兼容 Siemens Xcelerator 数字主线。

斯通博斯表示：“Siemens Xcelerator 赋能我们的 CAD 和 CAE 模型发生交互'对话'，不论开发人员是谁。”“这节省了大量时间，要知道模型转换往往相当耗时，还可能会导致建模错误。”

“一颗卫星最高可运行几百万自由度，”斯通博斯说。“作为最终系统集成商，我们的任务是协调从客户和供应商那里收到的所有子系统、数字化模型和数学模型。在西门子的支持下，我们有能力无缝集成模型，执行仿真分析并生成准确结果，同时透过我们的航天器数字孪生直接对接客户。”

诺思罗普·格鲁曼航天系统的终极目标是在数字主线中实现实时数字孪生。

“诺思罗普·格鲁曼和西门子秉持同一个目标，即纯数字主线，确保其中的系统模型准确表示物理系统，赋能我们在飞行器或卫星轨道任务作业期间执行实时仿真，”斯通博斯表示。“如有特定的问题或发现，我们可以随时回归到数字孪生，尝试了解任务作业期发生的状况。”

图 6.卫星动态特性分析。

为未来几代工程师提供精准的 HALO 数字孪生

HALO 设计现已顺利通过初期和关键设计审查，这是复杂工程项目的一系列检查点之一。

航天器设计正在接受验证，以确保整个系统安全可靠地飞行，且满足 NASA 提出的任务要求。HALO 目前正着手开展纵深的细化设计和硬件开发。通过验证后，该模型将作为未来几代工程师构建 HALO 数字孪生的基本出发点。

一个跨越几代人的多维团队最终会在诺思罗普·格鲁曼公司的吉尔伯特亚利桑那州工厂将 HALO 变为现实，它充分汲取航天系统生产和集成经验，为发射太空模块做好准备。

“纵观过去十年或二十年，我们已经从设计通信卫星发展到开发复杂的机器人系统，致力于为航天任务作业提供服务支持。目前我们正设法构建未来太空飞行器的数字孪生，”斯通博斯说。“这真是令人难以置信的创新速度。西门子拥有远见卓识和工具套件，赋能我们快速进驻数字化和高级工程仿真王国。我们希望以合作伙伴的身份与西门子携手共进。”