Ракети отримують всю славу. Звісно, вони великі і яскраві. Вони створюють вражаючу кількість шуму та хмару, коли піднімаються вгору. Проте, коли вони вже в космосі, коли вони виштовхнули свій вантаж поза межі дії сили тяжіння, саме тоді справжні фахівці беруться за роботу.
Ми говоримо про випускні приводи. Так, це ті маленькі механічні пристрої, які виштовхують сучасні малі супутники (CubeSats) з багажного відсіку ракети.
Дивно, але уявіть собі, як у потрібний момент привід спрацьовує і CubeSat виштовхується з ракети саме там, де потрібно. Інший привід спрацьовує на самому CubeSat, і сонячний батарейний модуль, який буде живити малий супутник, розгортається, немов квітка, стаючи поверхнею для збору світла у декілька разів більшою, ніж він був, складений в багажному відсіку ракети. Без випускних приводів супутники просто залишалися б у ракеті і не були б нікому корисні.
Модель CubeSat перед розгортанням від DCUBED з побудованою розрахунковою сіткою.
Є цікаве питання: враховуючи, що правильна робота випускного приводу є критично важливою для успіху всього плану запуску супутника, як команда інженерів може бути впевненою, що випускні приводи спрацюють належним чином у потрібний момент? Можливо створити прототип сонячного або антенного масиву, який розгортається. Але як переконатися, що конструкція буде працювати в умовах, де немає гравітації і де температура може змінюватися від -100°С до +120°С?
Для отримання відповідей на ці питання інженери німецької компанії DCUBED покладаються на програмне забезпечення Ansys, надане INNEO Solutions – німецьким Elite Channel партнером Ansys – для моделювання роботи випускних приводів та інших компонентів супутників, що розгортаються в космосі. Вони отримують важливі інсайти, необхідні для оптимізації та забезпечення продуктивності виробу тут, на землі. Як учасник програми Ansys Startup, компанія має доступ до програмного забезпечення для міждисциплінарних розрахунків у Ansys та високопродуктивних обчислювальних ресурсів (HPC) за доступною ціною.
Ініціатива "Новий космос"
DCUBED є частиною Ініціативи "Новий космос" Федеральної асоціації промисловості Німеччини (Bundesverband der Deutschen Industrie eV або BDI), яка має на меті комерціалізацію космічних подорожей та їх пов’язання з традиційною економікою. Перші ініціативи полягали у розгортанні великих груп дуже малих супутників (CubeSats), які спільно працюють у мережі для отримання та передачі інформації. Ці групи супутників можуть надавати послуги інтернету у віддалених регіонах, надавати дані автономним транспортним засобам у реальному часі, передавати інформацію про погоду та врожай віддаленим сільським громадам та багато іншого для широкого спектру галузей.
Але доставка цих об'єктів у космос - це виклик.
"В ракеті немає багато місця", - каже Томас Зінн, доктор наук, засновник та генеральний директор DCUBED. "Тому компанії, які відправляють вироби у космос, потребують способу запаковувати їх у дуже компактному вигляді і розгортати їх у космосі".
Ось де відіграють свою роль випускні приводи та конструкції, що розгортуються, від DCUBED.
"Наприклад, при створенні сонячних батарей", пояснює Томас Лунд, керівник відділу розрахунків DCUBED, "DCUBED застосовує модульний підхід. Замовник задає потужність, струм, напругу і площу, на яку повинен розгорнутися масив, а також обмеження, і ми переходимо до проектування масиву за допомогою готових випускних приводів, переконуємось, що він розгорнеться і буде працювати так, як очікується, і швидко надаємо рішення."
Результати розрахунку контурів швидкості при розгортанні масиву.
DCUBED використовує Ansys Mechanical для створення прототипу виробу, який відповідає вимогам клієнта. Далі, для забезпечення того, щоб масив розгорнувся так, як задумано, і буде мати очікувані властивості поглинання/випромінювання, вони покладаються на Ansys LS-DYNA – інструмент для моделювання поведінки матеріалів при короткочасному інтенсивному навантаженні.
"LS-DYNA це єдиний вирішувач, який можна використовувати для моделювання високо нелінійних процесів, які включають великі переміщення, і це саме те, що нам потрібно, коли ми розглядаємо космічні конструкції, що розгортаються", - каже Сінн. "Коли ми після створення випускних приводів почали працювати над розгортанням, стало очевидним, що LS-DYNA – ідеальний інструмент для роботи з системами, які ми розробляємо".
Вирішення міждисциплінарних завдань космосу
В DCUBED проектування космічних виробів, що розгортаються, включає в себе певну кількість творчого пошуку і ітерацій. Команда дотримується послідовності "створення-проектування-запуск-експлуатація", в рамках якої інженери розробляють рішення для потреб клієнта, пропонують дизайн за допомогою Mechanical, а потім перевіряють цей дизайн з огляду на концептуальні критерії.
"У більшості випадків ми стикаємось з невдачею", зауважує Лунд, "тому, ми повертаємось до концепції і розробляємо новий дизайн". З часом конструкція починає відповідати концептуальним критеріям, і інженери переходять до ініціації (ще більше випробувань) для визначення того, чи буде конструкція працювати так, як планувалося.
"Ми постійно створюємо багато швидких прототипів наших виробів за допомогою 3D-принтерів", - говорить Лунд, - "але ніхто не має стільки часу та грошей, щоб створити фізичний прототип для кожної концепції. Навіть якщо б ви могли це зробити, дати відповідь на питання, чи дизайн буде працювати, як очікувалося в космосі, може дати лише експеримент. Дуже дорого доставляти прототип в космос і просто неможливо належним чином відтворити усі граничні умови на Землі, тому потрібно використовувати моделювання."
Модель розгорнутого CubeSat від DCUBED з побудованою розрахунковою сіткою.
Команда DCUBED використовує LS-DYNA для моделювання роботи виробу в умовах космосу. LS-DYNA надає можливість проводити як стаціонарні, так і нестаціонарні розрахунки. Стаціонарні розрахунки допомагають команді зрозуміти, як виріб буде себе вести в певний момент часу, в той час як нестаціонарні розрахунки надають інсайти щодо розгортання у часі в умовах, з якими зіткнеться ракета та її вантаж.
Нестаціонарні розрахунки у LS-DYNA особливо важливі, оскільки вони дозволяють команді визначити, як ракета буде розташована у будь-який момент часу відносно векторів сонячного світла та тіні Землі. Якщо випускний привід виштовхує виріб з багажного відсіку, коли ракета перебуває в тіні Землі, температура у космосі може становити -100°С. Але потім, коли виріб потрапляє під прямі сонячні промені, температура може піднятися до +120°С. Коли конструкція потерпає від на стільки суттєвої зміни температури, вона розширюється або стискається. Це впливає на міцність конструкції, а також на динаміку механізму.
Подивитись відео про те, як працюють сонячні батареї та антенні конструкції, що розгортаються у космосі, від DCUBED можна за цим посиланням.
Відсутність гравітації та умови середовища ускладнюють завдання. European Cooperation for Space Standardization (ECSS) та European Space Agency (ESA) визначили стандартні умови навколишнього середовища в космосі, і тому їх можна параметризувати в LS-DYNA так само, як і властивості конструкційних матеріалів.
"Космос дійсно ставить міждисциплінарну задачу", - каже Лунд, - "і вам потрібно працювати з кількома моделями одночасно, щоб отримати бажані інсайти. Коли ви поєднуєте вирішувачі, як це робить Ansys LS-DYNA, і виконуєте теплові і механічні розрахунки одночасно, ви отримуєте розуміння того, як виріб буде працювати в складному середовищі. Це велика перевага для нас."
"Ми в це втягнулися через нашу любов до космічної індустрії та переваг, які космос надав світові", - говорить Сінн. "Ми хочемо сприяти більшому розвитку цього. Для нас все полягає в тому, щоб допомогти нашим клієнтам досягти своїх цілей. Моделювання дозволяє випробувати наші випускні приводи та системи розгортання в різних умовах, щоб ми могли постачати вироби, які будуть надійно працювати в широкому спектрі умов. Це надає нашим клієнтам можливість розгортати свої продукти в той момент і так, як вони бажають, щоб досягти своїх цілей."
Бажаєте застосувати Ansys LS-DYNA? Фахівці компанії Софт Інжинірінг Груп допоможуть придбати та навчитись ефективно використовувати програмного забезпечення Ansys LS-DYNA.
Title: Where the Real Work in Space Gets Done
Author: Ansys Advantage Staff
Website Name: Ansys Blog
URL: https://www.ansys.com/blog/where-real-work-in-space-gets-done
Accessed: 23.10.2023
