В NASA в офисе Launch Services Program на Космодроме Кеннеди группе Dynamic Environments удалось выстроить унифицированный рабочий процесс моделирования с применением коммерческого цифрового инструмента для конечных элементов. Цель — усилить анализ ударов, вибраций и прочих физических воздействий, которым подвергаются ракеты и космические аппараты во время запуска и подъема. Новая методика позволяет заранее определить слабые места и риски поломок на ранних стадиях, до сборки оборудования и полета. В работе задействованы как идейные принципы, так и конкретная система моделирования, рассчитанная на стандартную последовательность действий по созданию и проверке моделей. Источники: 3, 4, 5.

Команда применила этот инструмент в рамках сертификации ракеты коммерческого партнера для миссии NASA: для тестирования вибраций заказчик предоставил данные по вибрации, но не по ударным нагрузкам. Группа Dynamic Environments нашла, что необходима проверка на удар, и распорядилась использовать ранее созданный шаблон для моделирования «что‑если», визуализации поведения конструкции и ответов на сложные вопросы, которые ранее требовали бы объёмного ручного моделирования. Результаты промышленной проверки турбулентности окружения полета подтвердили результаты тестирования и дали новые выводы по ударам в условиях транспортировки.

По словам Брайана Бивера, руководителя отдела полетного анализа в Launch Services Program Office, компьютерный метод позволяет предсказать поведение ракет и космических аппаратов в экстремальных условиях до начала сборки оборудования и выявлять слабые места и риски отказа на раннем этапе, чтобы команда могла устранить их. Цитата: «Этот компьютерный метод помогает предсказывать поведение ракет и космических аппаратов в экстремальных условиях до того, как будет построено оборудование, и помогает идентифицировать слабые места и потенциальные риски отказа на раннем этапе, чтобы команда могла их устранить».

Как отмечает Алекс Хардт, aerospace engineer в NASA Kennedy, инструмент применяют не только в новой области динамики, но и в той, которая ранее не использовалась для таких задач. По его словам, «мы используем инструмент, который существовал десятилетиями, но обычно не применяется дисциплинами динамической среды», и теперь его применяют в относительно новой области динамики.

Технология позволяет ускорить работу инженеров: ранее для оценки ударной и вибрационной среды применяли правила большого пальца или масштабирование данных прошлых миссий, что давало разумные оценки, но зависело от инженерного чутья. Новый подход заменяет устаревшие инструменты и предоставляет стандартный шаблон, который помогает быстрее и тщательнее пройти через профили вибраций и ударных условий. Это экономит время и позволяет команде самостоятельно проводить анализ без ожидания отчетов и данных, помогая выявлять риски, ранее не учитывавшиеся.

Концепцию конечных элементов NASA применяет как мощный метод моделирования, разбивая сложную конструкцию на более мелкие элементы, чтобы компьютеры могли точно предсказывать реакцию на конкретные силы и условия полета. Это важно, потому что проблемы, выявленные на земле, обычно не подлежат исправлению после запуска, поэтому ранняя идентификация имеет ключевое значение.

Кроме того, в годы применения методики стало ясно, что визуализация динамических задач через конечные элементы расширяет обучение, повышает эффективность и согласованность с культурой, ориентированной на людей. Рабочий процесс позволяет инженерам делиться знаниями, дорабатывать оценки по дополнительным данным полета и повышать владение инструментарием моделирования. По утверждению Хардта, уже сокращены месяцы за счет того, что команда может запускать анализ самостоятельно без запроса на внешние отчеты и данные и выявлять риски, которые ранее не рассматривались.

Офис Launch Services Program отвечает за запуск ракет, которые доставляют космические аппараты на орбиту Земли и к другим планетам, а также за миссии по исследованию Луны и дальнего космоса — от метеорологических спутников до космических телескопов и марсоходов. Команда постоянно осваивает новые инструменты, чтобы повысить практический шанс успеха каждой миссии.