Pokročilá analýza a návrh vesmírných misí pomocí simulace

Než raketa odstartuje nebo satelit dosáhne svého cíle na nízké oběžné dráze Země (LEO). Než rover přistane na Měsíci nebo než bezpilotní kosmická loď zahájí svou cestu do vzdálených končin naší sluneční soustavy. Než kterákoli z těchto misí začne, musí inženýři a výzkumníci, kteří stojí v čele těchto projektů, provést analýzu a návrh vesmírné mise (SMAD).
SMAD zahrnuje všechny prvky vesmírné mise, od požadavků a parametrů mise po návrh vozidla, použitou technologii a testování. Hlavním cílem SMAD je dosáhnout cílů mise při současném snížení nákladů a rizik. To je nesmírně důležité, protože vesmírné mise jsou stále složitější, zdlouhavější a nákladnější.
„I malá vesmírná mise může stát stovky milionů dolarů a její dokončení může trvat mnoho let,“ říká Jim Wertz, prezident společnosti Microcosm Inc. a profesor astronautiky na University of Southern California.
Aby ilustroval význam SMAD pro úsporu nákladů, Wertz uvádí příklad výměny nefunkčního satelitu. Jedním ze způsobů, jak se mohou společnosti připravit na nefunkční nebo selhaný satelit, je mít již vypuštěný náhradní satelit na oběžné dráze. Pokud se však selhaný satelit nachází na oběžné dráze daleko od náhradního satelitu, museli by inženýři změnit oběžnou dráhu náhradního satelitu, aby mohli provést výměnu.
Problémem je, že delta-V, neboli změna rychlosti, která přímo souvisí se spotřebou paliva, potřebná k dosažení tohoto cíle, je velmi velká, jakmile je satelit na oběžné dráze. „Například přechod z rovníkové oběžné dráhy na polární oběžnou dráhu vyžaduje více delta-V, než kolik bylo potřeba k dosažení oběžné dráhy,“ říká Wertz. V důsledku toho je přesun náhradního satelitu velmi obtížný a možná dokonce nemožný. Místo toho „má velký smysl nechat kosmickou loď na zemi a mít k dispozici rychlou a pohotovou startovací kapacitu,“ říká Wertz.

SMAD slouží jako způsob, jak analyzovat situace, jako je tato, a určit nejúčinnější cestu vpřed – předtím, než se učiní rozhodnutí, které by mohlo stát miliony dolarů.

Zatímco inovátoři neustále posouvají hranice toho, co je ve vesmíru možné, musí překonávat výzvy ve všech oblastech SMAD. Zde je několik příkladů klíčových výzev v průběhu procesu analýzy a návrhu.

1. Vypuštění na oběžnou dráhu: Určení nejlepší oběžné dráhy pro splnění mise, zjištění složitosti konstelací satelitů a načasování vypuštění
2. Návrh vozidla: Návrh hardwaru a softwaru vozidla, které odolají drsnému radiačnímu a tepelnému prostředí vesmíru
3. Vesmírné operace: Dynamické shromažďování údajů v reálném čase o prostředí, ve kterém budete operovat, aby se zabránilo kolizím
4. Systémové inženýrství a referenční mise návrhu (DRM): Zohlednění všech systémů a provozního scénáře v kontextu systému systémů, který zohledňuje faktory, jako je terén a počasí, a také to, jak tyto faktory interagují a mění se
5. Komunikační systémy: Zajištění spolehlivosti stále složitějších komunikačních systémů vesmírných misí a možnosti komunikace v téměř reálném čase mezi kosmickými loděmi na oběžné dráze a mezi kosmickými loděmi na oběžné dráze a pozemními stanicemi
6. Užitečné zatížení: Návrh užitečného zatížení, které vyhovuje různým misím a orientacím
7. Testování systémů: Minimalizace potřeby nákladných fyzických testů, které mohou být na Zemi příliš nákladné nebo nemožné.

K složitosti SMAD přispívá také to, že „vláda má tendenci provádět vlastní analýzu a návrh misí, což firmám nedává příliš prostoru pro zapojení se a předkládání návrhů“, říká Wertz. To minimalizuje schopnost širší komunity sdílet své podněty a společně inovovat.

Porozumění úloze simulačního softwaru v SMAD

Inženýři v kosmickém průmyslu musí překonat mnoho výzev ve všech oblastech procesu analýzy a návrhu. Ve vesmíru však selhání nepřichází v úvahu. Vzhledem k času a nákladům potřebným k realizaci vesmírné mise existuje silný tlak na to, aby byl návrh mise správný hned napoprvé. Společnosti v kosmickém průmyslu musí investovat značné prostředky do toho, aby všechny prvky návrhu byly důkladně analyzovány a optimalizovány.

A právě zde přichází na řadu simulace. „Jsem více než kdy jindy závislý na simulaci a modelování misí,“ říká Wertz. Díky simulačnímu softwaru mohou inženýři rychle provádět potřebné analýzy s nižším rizikem ve srovnání s extrémně velkým množstvím zdrojů, které jsou potřebné pro fyzické testy ve vesmíru. „Simulaci mohu provést relativně rychle, možná během několika měsíců, a výrazně to snižuje náklady,“ říká Wertz. „Simulace i analýza, která s ní souvisí, samozřejmě velmi pomáhají.“

Jako příklad uvádí Jim Woodburn, Ansys Fellow, problém určení umístění antény na kosmické lodi, aby byla umožněna komunikace s pozemními stanicemi na Zemi. Zatímco řešení tohoto problému může být jednoduché, pokud se jedná o satelit na LEO nebo geostacionární orbitě, jehož strana je vždy obrácena k Zemi, jiné profily misí mohou být náročnější.

„Zvažme složitější příklad, kdy je kosmická loď na cestě k Měsíci a musí během letu změnit svou orientaci, aby zabránila kritickým přístrojům směřovat ke Slunci nebo aby rozložila teplo,“ říká Woodburn. „Pomocí simulačního softwaru Ansys můžeme modelovat všechny tyto podmínky spolu s potenciálním umístěním antén, abychom zjistili, kdy by každá potenciální konfigurace mohla být vyloučena z komunikace se zemí.“ To však není vše, co simulace dokáže určit.

„Můžeme také zkoumat předpokládané teplotní profily komponent kosmické lodi, množství slunečního záření dopadajícího na solární panely, které ovlivňuje výrobu energie, a možnosti rádiového rušení,“ říká Woodburn.

Zvažte vývoj velké konstelace satelitů. Návrh velkých skupin spolupracujících satelitů zahrnuje určení:

• Jaké jsou požadavky mise a jakou přidanou hodnotu má každá část vaší konstelace.
• Jak můžete dosáhnout svých cílů a jaká technologie bude použita.
• Jaké pokrytí a načasování budete potřebovat k dosažení svých cílů.
• Kde budete chtít tuto konstelaci nasadit, což ovlivní funkčnost a úroveň záření.
• Jaký je váš rozpočet a kolik satelitů si můžete dovolit
• Kolik startů použijete k rozmístění satelitů a jaká je plánovaná trajektorie
• Jak se vyhnete kolizím
• Co zahrnuje váš plán pro konec životnosti satelitů
• Jak vyvíjíte potenciální redundance pro případ selhání jednotlivých satelitů

Se simulačním softwarem Ansys mohou inženýři provádět výpočty potřebné k efektivnímu zodpovězení těchto otázek, aniž by museli obětovat přesnost. Simulační software může například pomoci určit nejmenší počet satelitů, které mohou inženýři nasadit k dosažení cílů mise, čímž ušetří náklady a čas. Inženýři mohou také najít nejlepší výšku s přihlédnutím k důsledkům výběru výšky (například vyšší výška může mít lepší pokrytí, ale větší latenci), záření (které se bude lišit v závislosti na výšce a vaší poloze vzhledem k Van Allenovým radiačním pásům) a dalším faktorům.

Inženýři mohou do ověřených modelů Ansys zadat vstupní údaje popisující profily kandidátů na misi a komponenty kosmické lodi. Simulační nástroje Ansys se poté používají k generování výstupů, které popisují výkon systému za předepsaných podmínek.

Tyto výstupy lze poté porovnat s požadavky mise a zvážit v rámci trade-off analýz, aby se efektivně našly optimalizované konfigurace.

Samozřejmě se jedná pouze o malou část toho, co Wertz popisuje jako „složité problémy, které doufáme vyřešit pomocí lepších simulací a složitějšího a komplexnějšího modelování kosmických lodí“.

Plány pro hvězdy: Co čeká SMAD v budoucnu

Rozmach komercializace v kosmickém průmyslu je hlavním hnacím motorem několika průmyslových trendů, které budou i nadále ovlivňovat SMAD.

Vezměme si například lunární a cislunární mise. Kromě vládních misí, jako je program NASA Artemis, se na obzoru rýsuje mnoho komerčních lunárních misí. „S programem Artemis zaznamenáváme obrovský nárůst zájmu o mise na Měsíc a do cislunárního prostoru,“ říká Woodburn. Tyto mise vzbuzují komerční zájem, přičemž Wertz uvádí, že mohou být krátkodobé a generovat zisk a reálné příjmy.

Pokud jde o roli SMAD v tomto případě, „trajektorie těchto misí bývají exotičtější než trajektorie misí v blízkosti Země a vyžadují pokročilejší analytické nástroje, aby bylo možné využít nízkonákladových orbitálních spojení, která jsou k dispozici, když je zapojeno více gravitačních těles,“ říká Woodburn.

Komercionalizace je také hnacím faktorem moderního designu satelitů, který zahrnuje větší závislost na malých, nízkonákladových a lehčích satelitech. Navíc může mít autonomní technologie v budoucnu pro SMAD větší význam.

„Věřím také, že éra autonomních kosmických lodí je přímo před námi,“ říká Woodburn. „Zvýšení výpočetního výkonu na palubě, využití měření in situ pro navigaci a rychlý rozvoj strategií plánování misí a řešení anomálií založených na AI/ML – to vše naznačuje, že budoucí kosmické lodě budou při plnění svých misí mnohem méně závislé na pozemní podpoře.“ Woodburn také uvádí, že sdílené lety jsou dalším konceptem, který se v budoucnu může stát populárnějším, aby se snížily náklady na vypuštění a zvýšil přístup do vesmíru.

Při určování, zda jsou tyto technologie pro konkrétní misi proveditelné, se inženýři mohou spolehnout na simulační software SMAD a Ansys, který umožňuje provádět komplexní analýzy, které pomohou pohánět vesmírné mise nové generace.

Learn More 😉

Těm, kteří se chtějí v této oblasti uplatnit nebo v ní růst, Wertz doporučuje, aby zvážili celkový obraz a široké trendy, které se vyskytují v celém vesmírném průmyslu.

Převzato od Ansys. Překlad s využitím DeepL.