Тиск на інженерів-конструкторів американського аерокосмічного гіганта був величезним, і вони потребували нового підходу до розробки продуктів. Хоча традиційний підхід - проєктування, будівництво, тестування та повторення - приніс їм багато успіхів, часи змінилися. Компанія потребувала цифрової трансформації, щоб відповідати новим умовам – продукти повинні потрапляти на ринок швидше. На тлі цього команда інженерів використала нове рішення на базі імітаційного підходу: моделювання, аналіз, потім виробництво.
Один з важливих елементів цього нового підходу був цифровий інжиніринг місій, започаткований Ansys Government Initiatives (AGI). Цифровий інжиніринг місій - це використання цифрового моделювання для врахування експлуатаційного середовища, оцінки результатів та ефективності місії на кожній фазі життєвого циклу. Іншими словами, ви створюєте свій продукт у цифровій моделі за умов, в яких він має працювати, і оцінюєте, наскільки добре він працюватиме.
Виконання місії
Яким чином цифровий інжиніринг місій допоміг проєкту? Команда повинна була оптимізувати систему бортового повітряного зв’язку для використання різними військовими підрозділами. Система складалася з радіо передавачів та антен - деякі з них були під крилами, інші на фюзеляжі – а також з каналів передачі даних та голосу.
Викликів було багато, починаючи з мільйонів комбінацій каналів, які потрібно було змоделювати. Аналіз був ускладнений через необхідність врахування
таких факторів навколишнього середовища, як взаємовплив випромінювача та антени приймача у локальному просторі. Окрім того, діапазон хвиль, що використовується, є достатньо завантаженим.
Застосовуючи цифровий інжиніринг місій, команда змоделювала систему бортового повітряного зв’язку, виконуючи різноманітні сценарії впливу зовнішнього середовища. Дані моделювання були проаналізовані, щоб зрозуміти вплив радіоперешкод на систему, ефективно виділити потрібні канали, а також визначити оптимальне розташування та конфігурацію антен. Оскільки випробування були віртуальні, цикли коригування та повторної оцінки вимагали лише нових цифрових даних - а не створення нових фізичних прототипів.
В результаті інженери вдвічі скоротили час на розробку. Давайте розглянемо детальніше, як вони це зробили.
Процес почався зі створення моделі місії у Ansys Systems Tool Kit (STK), яка представляє собою операційне середовище системи повітряного зв’язку - що їй потрібно було робити, а також де і коли. Це дозволило оцінити структуру системи та зрозуміти, як реальні фактори можуть на неї вплинути та чому, вже на початку дослідження.
Наступним кроком було інтегрування Ansys 3D High Frequency Simulation Software (HFSS) у STK, щоб визначити баланс лінії зв’язку, який оцінює загальну передавальну потужність у радіосистемі, включаючи втрати. Тепер команда могла використовувати свій арсенал засобів моделювання для оптимізації структури системи зв’язку, отримуючи повне уявлення про те, як зміна параметрів впливає на успіх місії, у кілька кліків. Ось деякі зі способів, які вони застосовували:
- Імпорт файлів геометрії літаків, які будуть використовувати систему повітряного зв’язку, у HFSS для створення номінальних моделей антен, розуміння їх електромагнітних характеристик та вибору правильних місць розташування та форми.
- Експорт даних з HFSS до Ansys Emit, яка визначає перешкоди в системі, що складається з кількох передавачів, які працюють одночасно. Результати цього розрахунку показали, які канали можуть мати руйнівний ефект на авіоніку або інші системи.
- Зменшення взаємних радіоперешкод за допомогою фільтрування та використання планування частот для перерозподілу каналів, та пропонування відповідних змін до моделі у HFSS.
- Імпорт моделі антени та «чистих» каналів у STK, що дозволило інженерам візуалізувати вплив усіх компонентів на шлюз зв’язку під час моделювання різних маневрів та маршрутів.
Приклад цифрового інжинірингу місій у аерокосмічній галузі. Ansys STK дозволяє розробити місію та космічний апарат і, водночас, визначити вимоги до корисного навантаження, зв’язку та наземного обладнання.
Швидше, розумніше, краще
Завдяки цифровому інжинірингу місій, інженерна команда змогла швидко зрозуміти продуктивність системи повітряного зв’язку та виявити нові вимоги без фізичних випробувань. Швидкі ітерації моделювання та аналізу значно скоротили терміни виконання проєкту та дозволили команді швидше представити першу збірку, яка була ближче до готовності до виробництва, ніж це можливо при використанні застарілих підходів. У світі, де час введення на ринок є важливим фактором, цифровий інжиніринг місій надає неперевершену перевагу.
Розуміння місії
Одне з найскладніших завдань полягає в тому, щоб дати відповідь на просте запитання, яке, здається, ми знаємо, але не задумуємося про нього: що ми маємо на увазі, коли говоримо про "місію"? Причина того, чому це запитання не є настільки простим, полягає в тому, що люди використовують слово "місія" по-різному. Отже, що маємо на увазі, коли говоримо про місію в контексті цифрового проектування місій? Давайте розберемося.
Місія - це:
Речі, які продукт, система або платформа повинна бути в змозі робити.
Середовище, в якому вона має це робити - включаючи природні сили та конкурентну або ворожу діяльність.
Які є приклади таких місій?
Найпростіше можна сказати, що ложка має дозволяти їсти суп, а миска зі супом становить її операційне середовище. Або поглянемо тепловий насос для вашого дому, який повинен його обігрівати та охолоджувати. Середовище теплового насоса включає багато факторів, від погодних умов ззовні будинку до вентиляції всередині нього.
До місії також можуть існувати певні вимоги. Приклад – автомобіль, який повинен безпечно перевозити від чотирьох до шести пасажирів та певну кількість вантажу з певною паливною ефективністю і таке інше. Якщо ви водили автомобіль, то вам вже добре відомо, наскільки динамічним може бути це середовище та як динамічні фактори можуть впливати на умови місії автомобіля по-різному.
Нарешті, розглянемо радар, який виявляє повітряні судна, але хтось цьому перешкоджає. Ймовірно, його середовище включатиме конкурентну або протиборчу діяльність - наприклад, літак, який намагається заблокувати його роботу.
Отже, хоча визначення місії можна зводити до достатньо простого, повний опис конкретної місії може бути багатогранним і складним. І, як ви можете уявити, чим складніша місія, тим більшу перевагу надає використання цифрового інжинірингу місій.
Диверсифікація місій
Цифровий інжиніринг місій спочатку було реалізовано в авіакосмічній галузі, де його активно використовують досі. В той же час Ansys - і наші клієнти - доводять, що такий самий підхід можна успішно застосовувати до різноманітних інших систем, включаючи автомобільні транспортні засоби, морські судна та розумні міста.
Давайте розглянемо приклад того, як цифровий інжиніринг місій може застосовуватися в іншій галузі - телекомунікаціях. Ви можете сказати, що місія мобільного телефону полягає у підтримці швидкості передачі даних та голосового зв'язку у будь-якому міському середовищі з великою кількістю користувачів. Ви визначили те, що він повинен робити, і середовище, в якому він повинен це робити. У яких випадках цифровий інжиніринг місій може визначити, чи може телефон виконувати місію?
Подивимось на те, що можна проаналізувати:
- Динамічні фактори середовища, такі як природні перешкоди радіочастотного впливу на складні мережі зв'язку.
- Взаємодія систем телефону, наприклад фотографування під час відеоконференції з потоковою передачею даних при підключенні до Bluetooth-гарнітури.
- Як рух впливає на продуктивність. Наприклад, телефон може користуватися інформацією про місцезнаходження від супутників GPS, тому важливо враховувати, що перешкоди, такі як будинки, змінюються при переміщенні пристрою по місту.
Очевидно, ми спрощуємо речі. Але як тільки ви зрозумієте повний зміст місії в контексті цифрового інжинірингу, ви зможете оцінити широту його можливого застосування.
Правильно застосований цифровий інжиніринг місій підвищує ефективність і знижує витрати, починаючи від самого початку проєктування продукту і аж до етапу експлуатації та технічного обслуговування. Завдяки постійній перевірці реальної продуктивності на кожному етапі життєвого циклу ви розпочинаєте кожен наступний етап з упевненістю, що ваша розробка готова до наступного кроку. Побачивши на власні очі те, наскільки ефективним є такий підхід для вашої команди, ви будете готові до неймовірних технологічних стрибків.
