Tools

Site ExplorerSite Explorer
Close site explorer

Марсохід Curiosity: зустріч на Марсі

21 серпня 2018 р.


«Марсіанська наукова лабораторія» або МНЛ, частиною якої є марсохід Curiosity, – технологічно найскладніша місія в історії NASA. Проект МНЛ, розроблений і протестований за допомогою програмного забезпечення імітаційного моделювання Siemens, – найяскравіший приклад цілісної системи зв'язку між механізмами, яка наразі розвивається. Можна сміливо сказати, що це зустріч реального та віртуального світів.

27 липня 2018 року: Марс вкрай рідко наближається до нас настільки, щоб його було видно неозброєним оком. Завдяки марсоходу Curiosity червона планета стає ще ближчою. Близько 6 років науково-дослідна станція NASA вивчає Марс: збирає дані про минуле планети і шукає можливі ознаки життя. Марсохід був розроблений за допомогою PLM - програмного забезпечення з управління життєвим циклом продукту від Siemens. Як саме – читайте нижче.

Спочатку було 36 тижнів неймовірного холоду у відкритому космосі та подорож довжиною в 567 мільйонів кілометрів на швидкості понад 76 тисяч км/год. 5 серпня 2012-го МНЛ – марсохід вартістю 2,5 млрд доларів США, розміром з невелику легкову машину і вагою у 900 кг – увійшов в атмосферу Марса на швидкості 21 тисяч км/год. Менш ніж за 7 хвилин Curiosity повинен був сповільнитися до швидкості приземлення – близько 2 км/год. – або розбитися вщент.

Сотні надскладних операцій без втручання людини

Щоб здійснити м'яку посадку і уникнути пошкодження устаткування, призначеного для пошуку хімічних інгредієнтів, необхідних для зародження та існування життєвих форм, марсохід повинен був філігранно точно виконати сотні надскладних операцій без втручання і контролю людини. Яким же чином інженерам вдалося вирішити це завдання? Адже провести тести і симуляції приземлення марсохода на Землі неможливо – з огляду на 100-кратну різницю в щільності атмосфер блакитної і червоної планет.

«Використовуючи ПО імітаційного моделювання від Siemens, фахівці лабораторії з розробки ракетних і реактивних двигунів NASA змогли повністю змоделювати посадку марсохода із прорахунком всіх факторів – від термічного аналізу до численних фізичних взаємодій машини із зовнішнім середовищем після входу в атмосферу Марса, – говорить Чак Гріндстафф, президент і генеральний директор Siemens PLM Software, структурного підрозділу Департаменту автоматизації промисловості Siemens. – Наше ПО стало наріжним каменем вирішення цього завдання».

«Імітаційне моделювання підсистем, над якими я працював, дозволило нам перейти від загальної концепції до створення окремих деталей, а згодом – віртуальної збірки і тестування, – додає Даррен Роудс, керівник відділу розробок Cypress PLM Software, Каліфорнія, який донедавна був членом команди NASA з підготовки місії МНЛ.

Так, найважливіша стадія – масив складних послідовних операцій при приземленні, що отримала в NASA назву «7 хвилин жаху» – була оптимізована в результаті 8 тисяч змодельованих в ПО приземлень. «Неможливо передати, наскільки важливо мати можливість перейти від моделювання до реального запуску», – зазначає Роудс.


Дійсно, взяти, наприклад, систему «Небесний кран», яка раніше не використовувалася і була створена спеціально для того, щоб уповільнити приземлення марсохода і обережно опустити його на поверхню Марса. В PLM проводилося багаторазове моделювання дисперсії струменів вогню реактивного двигуна крана – щоб впевнитися в тому, що полум'я не пошкодить марсохід або джгути, до яких він прикріплений. «Завдань було кілька, – пояснює Джоель Рукс, керівник робочої групи PLM для NASA. – Джгути мали  не тільки безпечно і без пошкоджень опустити марсохід на поверхню планети. Конструкція передбачала наявність сполучного кабелю між марсоходом і краном. Кабель повинен був відокремитися за частку секунди до того, як від Curiosity відокремиться сам кран. Методом моделювання різних варіантів в ПО, ми знайшли рішення, встановивши невеликі піроножі, які й повинні були одночасно перерізати всі джгути».

Температурні коливання в діапазоні до 1648 градусів Цельсія

Іншим серйозним викликом стала робота зі структурною складністю марсохода: машина складалася з понад 90 тисяч унікальних деталей, допустима похибка при виготовленні багатьох з них не перевищувала товщини людської волосини – 100 мікрометрів. Щоб оптимізувати розміри Curiosity, всі ці деталі необхідно було дуже щільно підігнати один до одного, залишивши при цьому мінімально допустимі щілини із урахуванням вібрації всієї конструкції та її окремих елементів при запуску і вході в атмосферу, а також з урахуванням деформації – розширення і стиснення – різних матеріалів при впливі температур з дельтою значень в 1648 градусів Цельсія.

«Для створення деталей, які можуть бути настільки щільно з'єднані, нам потрібні були нові можливості і нові технології, якими нас озброїли системи і продукти Siemens», – говорить Даг МакКуістон, колишній керівник групи NASA з дослідження Марса.

«Щоб уникнути потенційних ушкоджень, всі системні елементи повинні бути сконструйовані таким чином, щоб не торкатися один одного, – додає консультант PLM Solutions Кент Раш. Досягти такої точності можна було, склавши, із урахуванням специфіки різних матеріалів, модель скінченних елементів (МСЕ) для кожної деталі. Даний метод використовується для вирішення завдань деформації, теплопровідності, коливань і передбачає поділ складних поверхонь на окремі частини або підобласті, що дозволяє прорахувати параметри кожної в співвідношенні з іншими».


Кінематичне моделювання

Тут головна роль відведена одному з основних інструментів ПО PLM – NX, який дозволяє «оживити» всю конструкцію методами комп'ютерного моделювання (CAD) і віртуального інжинірингу (CAE). За допомогою CAE створюється модель кожної деталі, що враховує її передбачуваний функціонал і фізичні характеристики, наприклад, граничні значення навантажень і температур із урахуванням специфічних особливостей матеріалів, з яких вона виготовлена. Оскільки багато деталей сконструйовані таким чином, щоб рухатися і взаємодіяти один з одним, NX використовується ще і для так званого «кінематичного моделювання». Воно дозволяє інженерам приводити в рух і тестувати роботу навіть громіздких конструкцій в контексті подій, які можуть відбутися в реальних умовах експлуатації (наприклад, приземлення марсохода на скелю) і розраховувати навантаження, якого у такому випадку зазнає вся конструкція і окремі її частини.

Крім того, NX – інструмент автоматизованої системи управління виробничими процесами (CAM). «Програми NX використовувалися для генерації коду, за допомогою якого здійснювалося управління обладнання, яке виготовляло деталі для МНЛ, – розповідає Роудс. – Все починається з побудови унікальної комп'ютерної NX CAD моделі деталі в віртуальному світі, потім визначаються інструменти для її створення, і тільки після цього за допомогою ПО NX CAM, в основі якого лежить первинна CAD модель, яку використовували для аналізу моделі скінченних елементів, запускається обладнання. Такий процес має безліч переваг, найбільш значущою з яких, з огляду на багатомільярдну вартість марсохода, є точність. Використовуючи цифрову модель в комбінації з пристроями числового програмного керування типу CNC при виготовленні деталей, можна досягти вражаючої точності, – додає Роудс. – Коли МНЛ була зібрана, похибка параметрів багатьох деталей не перевищувала товщини людської волосини».

Зближуючи робочі місця ... та індустрії

Успішна реалізація комплексних проектів передбачає наявність не тільки першокласного ПО для моделювання, але і систем, які дозволяють великим групам інженерів спільно і одночасно працювати над одним проектом. Коли йдеться про зближення «робочих столів», програмному забезпеченню PLM Teamcenter немає рівних.

«Teamcenter – найважливіша за своїм значенням система, що охоплює весь проектно-конструкторський процес, – розповідає генеральний директор PLM Гріндстафф. ПО включає додатки для таких ключових напрямків, як управління технічними вимогами, управління проектом, контроль нормативної відповідності, управління проектною інформацією тощо. Відповідно, такий інструмент є основою всього процесу дослідно-конструкторських робіт». Teamcenter знаходить застосування не тільки в підготовці проектів лабораторії з розробки ракетних і реактивних двигунів NASA. Дане ПО використовувалося і компанією SpaceX для запуску в травні 2012 року космічного корабля Dragon, першого в історії приватного комерційного судна, яке успішно зістикувалося із Міжнародною космічною станцією.

Чому такі організації як NASA і SpaceX використовують Teamcenter? «Просто тому, – пояснює Роудс, – що в космічному кораблі немає жодної зайвої деталі. Teamcenter не тільки мінімізує ризик помилки з боку людини, надаючи кожному авторизованому користувачеві найсвіжішу версію технічних даних проекту, але і дозволяє провести ретроспективний аналіз внесених змін аж до вихідної моделі. Затверджена модель одразу заноситься в базу Teamcenter як така, що потенційно гарантує істотну економію фінансових ресурсів».


Ринок об'ємом в двадцять мільярдів доларів

Зрозуміло, перелік галузей, котрі звернули пильну увагу на конкурентний потенціал віртуального прототипування і спільних розробок, не обмежується космічної індустрією. «У нас 70 тисяч клієнтів, – говорить Гріндстафф. – Ми в Siemens PLM Software оцінюємо поточний обсяг ринку в 20 млрд доларів зі стабільним прогнозованим зростанням в 5 – 7% щорічно. Ми є лідером в сфері спільних розробок, управління даними і цифрового виробництва, займаємо впевнене друге місце в сфері комп'ютерного моделювання і комп'ютерного управління виробничими процесами».

Більш того, компанія взяла більш ніж гідний темп з підписання нових контрактів. Так, нещодавно був укладений десятирічний договір з концерном Boeing на розширення сфер застосування технології PLM, а також глобальна угода з концерном Daimler на розробку всіх продуктів і виробничих потужностей в середовищі Teamcenter і NX. «Впровадження паралельних процесів в розробку, моделювання, планування виробництва і саме виробництво ще більш оптимізує ланцюжок доданої вартості Daimler, що дозволить концерну виготовляти продукти вищої якості в більш стислі терміни», – впевнений Гріндстафф. Не так давно компанія також підписала основні контракти з Chrysler, що входить в топ-10 постачальників автомобільних компонентів, і Johnson Controls, найбільшим постачальником сидінь для автомобільної промисловості.

Новий стандарт інтеграції

Однією з найбільш значущих причин такого запаморочливого успіху є те, що Siemens PLM Software допомагає клієнтам скорочувати витрати і працювати більш ефективно.

Наприклад, за словами Гріндстаффа, після того як Samsung Electronics інтегрував технологію PLM у свої виробничі операції, компанія змогла скоротити використання фізичних прототипів на 30%, тим самим на 50% скоротивши кількість помилок/дефектів при виробництві перших партій, а терміни розробки – на 30 %.

Отже, наскільки була оптимізована остання місія NASA? Роудс стверджує, що позитивний ефект в цьому випадку прорахувати неможливо, адже, на відміну від практично кожного «земного» продукту, МЛН – єдина в своєму роді.

«Тут мова йде не про будь-яке просте скорочення – скажімо, зниження ваги конструкції з двох тонн до однієї, – зазначає він. – Ясно одне: Curiosity встановив новий стандарт інтеграції – від концепту до виробництва і тестування».Генеральний директор Siemens Industry і член правління Siemens проф. Зігфрід Руссвурм додає: «У минулому всі процеси були послідовними. В ході проекту МНЛ NASA вдалося змінити парадигму: використовувати інтегровану базу даних та інтегрований підхід від проектування до технологічної підготовки виробництва – і здійснити плавний перехід від віртуального світу до реального виробництва в рамках єдиної інтегрованої бази даних для сотень інженерів, які одночасно працювали над єдиною моделлю».

«Без сумніву,« Марсіанська наукова лабораторія» – найскладніший технологічний проект в історії NASA, каже Джоель Рукс, керівник робочої групи PLM для NASA.Надзвичайно важливо, що завдяки використанню нашого програмного інструментарію фахівці NASA змогли змоделювати марсохід і оптимізувати його. Але ще важливіше інше. Curiosity успішно пройшов всі тести і долетів до Марса, – і все спрацювало точнісінько так, як і було задумано».