Tools

Site ExplorerSite Explorer
Close site explorer

Марсоход Curiosity: встреча на Марсе

21 августа 2018 г.


«Марсианская научная лаборатория» или МНЛ, частью которой является марсоход Curiosity, – самая технологически сложная миссия в истории NASA. Проект МНЛ, разработанный и протестированный с помощью программного обеспечения имитационного моделирования Siemens, - ярчайший пример развивающейся целостной системы связи между механизмами. Можно смело сказать, что это встреча реального и виртуального миров.

27 июля 2018 года:Марс крайне редко находится так близко к нам, что его видно невооруженным глазом. Благодаря марсоходу Curiosity красная планета становится еще ближе. Около 6 лет научно-исследовательская станция NASA изучает Марс: собирает данные о прошлом планеты и ищет возможные признаки жизни. Марсоход был разработан с помощью PLM – программного обеспечения по управлению жизненным циклом продукта от Siemens. Как именно – читайте ниже.

В начале было 36 недель невообразимого холода в открытом космосе и путешествие длиной в 567 миллионов километров на скорости более 76 тысяч км/ч. Пятого августа 2012-го МНЛ – марсоход стоимостью 2,5 млрд долларов США, размером с небольшую легковую машину и весом в 900 кг – вошел в атмосферу Марса на скорости в 21 тысяч км/ч. Менее чем за 7 минут Curiosity предстояло снизить скорость до посадочной – порядка 2 км/ч – или разбиться вдребезги.

Сотни сверхсложных операций без вмешательства человека

Чтобы совершить мягкую посадку и не повредить оборудование, предназначенное для поиска химических ингредиентов, необходимых для зарождения и существования жизненных форм, марсоход должен был безукоризненно точно выполнить сотни сверхсложных операций без вмешательства и контроля человека. Каким же образом инженерам удалось решить эту задачу? Ведь провести тесты и симуляции посадки марсохода на Земле невозможно ввиду 100-кратной разницы плотности атмосфер голубой и красной планет.

«Используя ПО имитационного моделирования от Siemens, специалисты лаборатории по разработке ракетных и реактивных двигателей NASA смогли полностью смоделировать посадку марсохода с просчетом всех факторов – от термического анализа до множественных физических взаимодействий машины с внешней средой после входа в атмосферу Марса, – говорит Чак Гриндстафф, президент и генеральный директор Siemens PLM Software, структурного подразделения Департамента Автоматизации Промышленности Siemens.Наше ПО стало краеугольным камнем решения этой задачи».

«Имитационное моделирование подсистем, над которыми я работал, позволило нам перейти от общей концепции к созданию отдельных деталей, а впоследствии – виртуальной сборке и тестированию», – добавляет Даррен Роудс, руководитель отдела разработок Cypress PLM Software, Калифорния, который до недавнего времени был членом команды NASA по подготовке миссии МНЛ.

Так, важнейшая стадия – массив сложных последовательных операций при приземлении, получившая в NASA название «7 минут ужаса» – была оптимизирована в результате 8 тысяч смоделированных в ПО приземлений. «Невозможно передать, насколько важно иметь возможность перейти от моделирования к реальному запуску», – отмечает Роудс.


Действительно, взять, к примеру, ранее не использовавшуюся систему «Небесный кран», созданную специально для того, чтобы замедлить приземление марсохода и бережно опустить его на поверхность Марса. В PLM проводилось многократное моделирование дисперсии струй огня реактивного двигателя крана – с целью удостовериться, что пламя не повредит марсоход или жгуты, к которым он прикреплен. «Задач было несколько, – поясняет Джоель Рукс, руководитель рабочей группы PLM для NASA. Жгуты должны были не только безопасно и без повреждений опустить марсоход на поверхность планеты. Конструкцией было предусмотрено наличие соединительного кабеля между марсоходом и краном. Кабель должен был отделиться за долю секунды до того, как от Curiosity отделится сам кран. Методом моделирования различных вариантов в ПО, мы нашли решение, установив мелкие пироножи, которые и должны были одновременно перерезать все жгуты».

Температурные колебания в диапазоне до 1648 градусов Цельсия

Другим серьезным вызовом стала работа со структурной сложностью марсохода: машина состояла из более 90 тысяч уникальных деталей – допустимая погрешность при изготовлении многих из них не превышала толщины человеческого волоса – 100 микрометров. Чтобы оптимизировать размеры Curiosity, все эти детали необходимо было очень плотно подогнать друг к другу, оставив при этом минимально допустимые зазоры с учетом вибрации всей конструкции и ее отдельных элементов при запуске и входе в атмосферу, а также с учетом деформации – расширения и сжатия – различных материалов при воздействии температур с дельтой значений в 1648 градусов Цельсия.

«Для создания деталей, которые могут быть настолько плотно соединены, нам необходимы были новые возможности и новые технологии, которыми нас вооружили системы и продукты Siemens», ‒ говорит Даг МакКуистон, бывший руководитель группы NASA по исследованию Марса.

«Во избежание потенциальных повреждений, все системные элементы должны быть сконструированы таким образом, чтоб не касаться друг друга,‒ добавляет консультант PLM Solutions Кент Раш. ‒ Достичь такой точности можно было, составив, с учетом специфики различных материалов, модель конечных элементов (МКЭ) для каждой детали. Данный метод используется для решения задач деформации, теплопроводности, колебаний и предполагает разделение сложных поверхностей на отдельные части или подобласти, что позволяет просчитать параметры каждой в соотношении с остальными».


Кинематическое моделирование

Здесь главная роль отведена одному из основных инструментов ПО PLM ‒ NX, позволяющему «оживить» всю конструкцию методами компьютерного моделирования (CAD) и виртуального инжиниринга (CAE). С помощью CAE создается модель каждой детали, учитывающая ее предполагаемый функционал и физические характеристики, к примеру, предельные значения нагрузок и температур с учетом специфических особенностей материалов, из которых она изготовлена. Поскольку многие детали сконструированы таким образом, чтоб двигаться и взаимодействовать друг с другом, NX используется еще и для так называемого «кинематического моделирования». Оно позволяет инженерам приводить в движение и тестировать работу даже громоздких конструкций в контексте событий, которые могут произойти в реальных условиях эксплуатации (как то приземление марсохода на скалу) и рассчитывать нагрузки, которым в этом случае подвергнется вся конструкция и отдельные ее части.

Кроме того, NX – инструмент автоматизированной системы управления производственными процессами (CAM). «Программы NX использовались для генерации кода, при помощи которого управлялось оборудование, производившее детали для МНЛ, ‒ рассказывает Роудс. – Все начинается с построения уникальной компьютерной NX CAD модели детали в виртуальном мире, затем определяются инструменты для ее создания, и только после этого при помощи ПО NX CAM, в основе которого лежит первичная CAD модель, использованная для анализа модели конечных элементов, запускается оборудование. У данного процесса масса преимуществ, наиболее значимым из которых, учитывая многомиллиардную стоимость марсохода, является точность. Используя цифровую модель в комбинации с устройствами числового программного управления типа CNC при изготовлении деталей, можно добиться впечатляющей точности, – добавляет Роудс. – Когда МНЛ была собрана, погрешность параметров многих деталей не превышала толщины человеческого волоса».

Сближая рабочие места… и индустрии

Успешная реализация комплексных проектов предполагает наличие не только первоклассного ПО для моделирования, но и систем, позволяющих большим группам инженеров совместно и одновременно работать над одним проектом. Когда речь заходит о сближении «рабочих столов», программному обеспечению PLM Teamcenter нет равных.

«Teamcenter – важнейшая по своему значению система, охватывающая весь проектно-конструкторский процесс, ‒ рассказывает генеральный директор PLM Гриндстафф.ПО включает приложения для таких ключевых направлений как управление техническими требованиями, управление проектом, контроль нормативного соответствия, управление проектной информацией и т.п. Соответственно, такой инструмент является основой всего процесса опытно-конструкторских работ». Teamcenter находит применение не только в подготовке проектов лаборатории по разработке ракетных и реактивных двигателей NASA. Данное ПО использовалось и компанией SpaceX для запуска в мае 2012 года космического корабля Dragon, первого в истории частного коммерческого судна, успешно состыковавшегося с Международной космической станцией.

Почему такие организации как NASA и SpaceX используют Teamcenter? «Просто потому, ‒ объясняет Роудс, ‒ что в космическом корабле нет ни единой лишней детали. Teamcenter не только минимизирует риск ошибки со стороны человека, предоставляя каждому авторизированному пользователю самую свежую версию технических данных проекта, но и позволяет провести ретроспективный анализ внесенных изменений вплоть до исходной модели. Утвержденная модель тут же заносится в базу Teamcenter как таковая, что потенциально гарантирует существенную экономию финансовых ресурсов».


Рынок объемом в двадцать миллиардов долларов

Разумеется, перечень отраслей, обративших пристальное внимание на конкурентный потенциал виртуального прототипирования и совместных разработок, не ограничивается космической индустрией. «У нас 70 тысяч клиентов, ‒ говорит Гриндстафф. – Мы в Siemens PLM Software оцениваем текущий объем рынка в 20 млрд долларов со стабильным прогнозируемым ростом в 5 – 7% ежегодно. Мы являемся лидером в сфере совместных разработок, управления данными и цифрового производства, занимаем уверенное второе место в сфере компьютерного моделирования и компьютерного управления производственными процессами».

Более того, компания взяла более чем достойный темп по подписанию новых контрактов. Так, недавно был заключен десятилетний договор с концерном Boeing на расширение сфер применения технологии PLM, а также глобальное соглашение с концерном Daimler  на разработку всех продуктов и производственных мощностей в среде Teamcenter и NX. «Внедрение параллельных процессов в разработку, моделирование, планирование производства и само производство еще более оптимизирует цепочку добавленной стоимости Daimler, что позволит концерну производить продукты более высокого качества в более сжатые сроки», ‒ уверен Гриндстафф. Не так давно компания также подписала основные контракты с Chrysler, входящим в топ-10 поставщиков автомобильных компонентов, и Johnson Controls, крупнейшим поставщиком сидений для автомобильной промышленности.

Новый стандарт интеграции

Одной из наиболее значимых причин такого головокружительного успеха является то, что Siemens PLM Software помогает клиентам сокращать расходы и работать более эффективно.

Например, по словам Гриндстаффа, после того как Samsung Electronics интегрировал технологию PLM в свои производственные операции, компания смогла сократить использование физических прототипов на 30%, тем самым на 50% сократив количество ошибок/брака при производстве первых партий, а сроки разработки – на 30%.

Итак, насколько была оптимизирована последняя миссия NASA? Роудс утверждает, что позитивный эффект в этом случае просчитать невозможно, ведь, в отличие от практически каждого «земного» продукта, МЛН – единственная в своем роде.

«Тут речь идет не о каком-либо простом сокращении – скажем, снижении веса конструкции с двух тонн до одной, – отмечает он. – Ясно одно: Curiosity установила новый стандарт интеграции – от концепта до производства и тестирования». Генеральный директор Siemens Industry и член правления Siemens проф. Зигфрид Руссвурм добавляет: «В прошлом все процессы были последовательными. В ходе проекта МНЛ NASA удалось сменить парадигму: использовать интегрированную базу данных и интегрированный подход от проектирования до технологической подготовки производства – и осуществить плавный переход от виртуального мира к реальному производству в рамках единой интегрированной базы данных для сотен инженеров, одновременно работавших над единой моделью».

«Без сомнения, «Марсианская научная лаборатория» – самый технологически сложный проект в истории NASA, – говорит Джоель Рукс, руководитель рабочей группы PLM для NASA. – Чрезвычайно важно, что благодаря использованию нашего программного инструментария специалисты NASA смогли смоделировать марсоход и оптимизировать его. Но еще важнее другое. Curiosity успешно прошел все тесты и долетел до Марса, – и все сработало в точности так, как и было задумано».