SpaceX – podbój kosmosu z programami CAE i CAD dla aerospace ( i nie tylko)

Firma SpaceX wraz z NASA 16.112020 wystrzeliła w kosmos rakietę Falcon 9 z pierwszą operacyjną misją załogową SpaceX – Crew-1. Jest to pierwsza regularna misja w ramach programu komercyjnych lotów załogowych NASA (ang. Commercial Crew). Programy tworzone przez Siemens istnieją w programie lotów kosmicznych od samego początku, systemy CAE i CAD dla aerospace należą wręcz do flagowych produktów firmy.

Przedstawialiśmy naszym klientom już pięć lat temu historię trzydziestu lat programu Femap na rynku. Już wtedy mówiliśmy o prywatnych promach kosmicznych oraz samolotach kosmicznych, które powstają w oparciu o rozwiązania Femap oraz m.in. NX Nastran.

Siemens podstawową wersję Femap oferuje wraz z solverem Simcenter Nastran, natomiast nie każdy wie, że solver ten został stworzony na potrzeby projektu rakiety Saturn V. Ale opowiedzmy historię od początku…

Trochę historii CAE i CAD dla aerospace

NASA w 1964r zleciła opracowanie jednego wspólnego oprogramowania, które inżynierowie mogliby wykorzystać do modelowania i analizowania różnych struktur lotniczych, w tym wszelkiego rodzaju statków kosmicznych lub samolotów. Innymi słowy, CAE i CAD dla aerospace. NASTRAN, czyli skrót od NAsa STRucture ANalysis został wydany w 1968 r. na potrzeby NASA. NASA wówczas pracowała nad projektem rakiety Saturn V – rakiety o bardzo dużej nośności oraz posiadającej certyfikat pozwalający na transport ludzi. Rakieta została opracowana, aby wspierać program kosmiczny Apollo dotyczący eksploracji Księżyca przez ludzi. W późniejszym czasie została użyta do wystrzelenia pierwszej amerykańskiej satelity Skylab.

Pierwsza komercyjna wersja NASTRAN została udostępniona publicznie w 1971 roku przez NASA’s Office of Technology Utilization. W 2001 roku NASA udostępniła publicznie kod źródłowy NASTRAN. W 2003 roku firma UGS Corporation nabyła prawa do używania oprogramowania NASTRAN i używała go pod nazwą NX NASTRAN. Firma UGS Corporation została przejęta przez Siemens w 2007 roku.

NASTRAN od początku projektowany był z kilku modułów. Moduł jest zbiorem podprogramów FORTRAN zaprojektowanych do wykonania określonego zadania – przetwarzania geometrii modelu, składania macierzy, stosowania warunków brzegowych, rozwiązywania problemów macierzy, obliczania wartości końcowy, konwersacji z bazą danych, drukowania wyników i tak dalej. Moduły są kontrolowane przez wewnętrzny język zwany Direct Matrix Abstraction Program (DMAP).

101 – Linear Static

103 – Modal

105 – Buckling

106 – Non-Linear Static

107 – Direct Complex Eigenvalue

108 – Direct Frequency Response

109 – Direct Transient Response

110 – Modal Complex Eigenvalue

111 – Modal Frequency Response

112 – Modal Transient Response

129 – Nonlinear Transient

144 – Static Aeroelastic Analysis

145 – Flutter / Aeroservoelastic analysis

146 – Dynamic Aeroelastic Analysis

153 – Non-Linear static coupled with heat transfer

159 – Nonlinear Transient coupled with Heat transfer

187 – Dynamic Design Analysis Method

200 – Design Optimization and Sensitivity analysis

401 – Non-Linear Static, Dynamic, arc length, modal, etc.

402 – Non-Linear Static and Dynamic (implicit) [[i]]

[i] https://en.wikipedia.org/wiki/Nastran

Tym krótkim przeglądem ukazujemy historię NASTRAN. Nastran jest wykorzystywany w wielu programach, między innymi w NX/Simcenter oraz Femap jako główny solver obliczeniowy. Wróćmy jednak do tematu podboju kosmosu.

NASA zakończyła program lotów kosmicznych w 2011 roku z powodów ekonomicznych, bowiem promy kosmiczne niezbędne do transportu komponentów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), jedynej obecnie na orbicie są kosztowne i bywają niebezpieczne dla astronautów. NASA została skazana na usługi wykonywane przez rosyjski statek kosmiczny Sojuz. Z tego powodu NASA zmieniło podejście i zaczęła współpracować z firmami prywatnymi – z sektorem tzw. NewSpace.

Do firm z branży NewSpace (która nota bene toczą ze sobą boje) należą m.in.: SpaceX, Blue Origin, Virgin Galactic/Virgin Orbit, Breakthrough Starshot. Przeczytaj więcej na ten temat.

Większość z tych firm korzysta z rozwiązań CAE i CAD dla aerospace wyprodukowanych przez Siemens.

Rakieta Falcon 9

Ponieważ niedawno słyszeliśmy o starcie rakiety Falcon 9 – Crew-1 jako misji załogowa przedstawiamy kilka ciekawostek i faktów z tym związanych. Najpierw przedstawimy informacje odnośnie rakiety, następnie opowiemy, jak oprogramowanie Siemens pomogło opracować tak skutecznie produkt. Na koniec przedstawiamy start misji załogowej.

Rakieta Falcon 9 to dwustopniowa rakieta, stworzona w celu niezawodnego i bezpiecznego transportu satelitów i statku transportowych Dragon oraz misji załogowych na orbitę. Prostota dwustopniowej budowy rakiety miała na celu zminimalizować liczbę separacji. Dodatkowo w celu zwiększenia bezpieczeństwa napędza ją dziewięć silników, które zostały tak skonstruowane, że nawet w przypadku awarii (teoretycznie może utracić dwa silniki) możliwe jest bezpieczne kontynuowanie i ukończenie misji. Nazwa rakiety Falcon wzięła się na cześć Sokoła Millenium (ang. Millenium Falcon). Falcon 9 jest również pierwszą rakietą orbitalną zdolną do ponownego lotu, a to poprzez system lądowania. Wielokrotne użycie pozwala na odnowienie najdroższych części rakiety, co z kolei obniża koszt dostępu do przestrzeni kosmicznej.

Budowa rakiety Falcon 3

Pierwszy stopień

Zawiera dziewięć silników Merlin i zbiorników ze stopu aluminium i litu zawierający ciekły tlen i paliwo rakietowe (RP-1). Falcon 9 generuje ponad 7607 kN ciągu na poziomie morza.

Falcon 9 – pierwszy stopień

Pierwszy stopień napędza dziewięć silników Merlin, które są stopniowo dławione pod koniec pierwszego etapu lotu, aby ograniczyć przyśpieszenie rakiety nośnej, gdy masa rakiety zmniejsza się wraz ze spalaniem paliwa. Silniki te są również używane do zmiany orientacji pierwszego stopnia przed ponownym wejściem w atmosferę oraz do wyhamowania pojazdu w fazie lądowania.

Pierwszy stopień Falcon 9 wyposażony jest w cztery nogi do lądowania wykonane z najnowszego włókna węglowego z aluminiowym plastrem miodu. Nogi są umieszczone i złożone przy podstawie i są rozkładane tuż przed lądowaniem.

Drugi stopień

Drugi stopień napędzany jest pojedynczym silnikiem próżniowym Merlin, dostarcza ładunek na żądaną orbitę. Silnik drugiego stopnia zapala się kilka sekund po rozdzieleniu stopnia i można go uruchamiać wielokrotnie, co pozwala umieścić ładunki na różnych orbitach.

Falcon 9 – drugi stopień

Interstage

Kompozytowa, międzystopniowa konstrukcja łączy pierwszy i drugi stopień oraz zawiera popychacze pneumatyczne, które umożliwiają rozdzielenie pierwszego i drugiego stopnia podczas lotu.

Płetwy siatkowe

Falcon 9 jest wyposażony w cztery hipersoniczne płetwy siatkowe umieszczone u podstawy międzystopnia. Orientują rakietę podczas powrotu przesuwając środek ciśnienia.

Falcon 9 – interstage

Kapsuła transportowa

Owiewka jest wykonana z kompozytu węglowego, która chroni satelity w drodze na orbitę. Owiewka jest zrzucona po około 3 minutach lotu, a SpaceX odzyskuje je do ponownego użycia w kolejnych misjach.

Falcon 9 – kapsuła transportowa

Statek kosmiczny Dragon

Dragon może przewozić do siedmiu osób oraz ładunek w sekcji ciśnieniowej statku kosmicznego. Ponadto Dragon w nieciśnieniowym luku statku, możne umieścić dodatkowe ładunki. Więcej o Falcon 9: https://www.spacex.com/vehicles/falcon-9/

Dragon

Schemat separacji

Programy CAD, CAE i PLM

Aby powstały tak zaawansowane konstrukcje, niezawodne i konkurencyjne, konieczny jest soft, który umożliwi zaprojektowanie, ale przede wszystkim weryfikacja modeli. Testowanie prototypów w tej branży jest bardzo kosztowne, a w niektórych sytuacjach wręcz niemożliwe. Dlatego należy zbudować cyfrowego bliźniaka i odwzorowując rzeczywiste warunki zasymulować pracę i na jej podstawie przeanalizować wyniki analiz w celu poprawy konstrukcji.

Firma SpaceX używa rozwiązań Siemens, aby zwiększyć niezawodność swoich produktów oraz żeby szybko wprowadzić je na rynek. Wykorzystuje soft zarówno do projektowania jak i weryfikacji.

W celu opracowania konkurencyjnej rakiety używają konstrukcji kompozytowych. Ich twórcy kierują się hasłem „każdy zaoszczędzony kilogram konstrukcji rakiety = dodatkowy kilogram w kapsule transportowej”.

Jak mówi Chris Thompson, Wiceprezes ds. Inżynierii konstrukcji SpaceX: „Czas jest dla nas zawsze najważniejszy, Fibersim udowodnił, że jest w stanie szybko przenieś nas od pomysłu do kompletnej części co było kluczowym czynnikiem przy podejmowaniu decyzji o zakupie oprogramowania. Ale jeśli chodzi o coś więcej niż tylko szybkość Fibersim poprawia jakość produktu poprzez dostarczanie dokładnych informacji inżynieryjnych na produkcję, co również pomaga w powtarzalności procesu produkcyjnego. Gwarantuje to, że części pasują, gdy schodzą z produkcji”.

Próby związane z lądowaniem rakiety Falcon 9:

Początkowo projektanci w SpaceX próbowali wykorzystać do projektowania program CAD średniej klasy, aby opracować Falcona 1. Po około roku frustracji ze złożeniami, których załadowanie trwało ponad godzinę (lub, co gorsza, nie otwierały się wcale), firma zaczęła szukać mocniejszego oprogramowania. Chris Thompson, wiceprezes ds. Operacji rozwojowych w SpaceX, wiedział, że potrzebne jest bardziej wydajne oprogramowanie do projektowania. Co więcej, firma zmagała się z rosnącą cały czas ilością danych projektowych, specyfikacji, programów CNC, procesów i doszła do punktu, w którym potrzebowała również rozwiązania do zarządzania. Chociaż Thompson i jego współpracownicy oddzielnie oceniali wybór środowiska CAD, analiz elementów skończonych (FEA) i rozwiązania do zarządzania danymi produktu (PDM), ostatecznie wybrali całą technologię firmy Siemens PLM Software do stworzenia zarządzanego środowiska programistycznego. Rozwiązanie do zarządzania cyklem życia produktu (PLM) obejmowało oprogramowanie NX ™ (w tym NX Nastran), oprogramowanie Femap ™ i Teamcenter®. „Wszystkim podobała się funkcjonalność i interfejs użytkownika NX” – mówi Thompson. „Następnie przeprowadziliśmy samodzielną ocenę oprogramowania PDM i Teamcenter – wygrał bez wysiłku. Naszym zadaniem nie było porównanie między nim a konkurencją, ale sprawdzenie funkcjonalności i prostota obsługi. Na froncie analiz to Femap i Nastran były wyraźnymi zwycięzcami, nie tylko ze względu na szeroką akceptację w branży, ale także z punktu widzenia łatwości obsługi i wsparcia”.

NX obsługuje całą rakietę

SpaceX stworzył model całej rakiety Falcon 1 i Falcon 9 oraz kapsuły Dragon w NX. Oprogramowanie nie ma problemów z obsługą ponad 25 000 zespołów części. „Możliwość terminowej pracy z zespołem o tak dużych rozmiarach jest bardzo ważna” – mówi Thompson. „Załadowanie całego zespołu zajmuje tylko 5–10 minut”. Po załadowaniu wirtualna makieta rakiety umożliwia projektantom łatwe znajdowanie zakłóceń. Główną zaletą pracy z dużymi złożeniami jest „projektowanie w kontekście”, które umożliwia opracowywanie i kończenie różnych części składowych podczas pracy w złożeniu. Projektowanie w kontekście oznacza natychmiastową informację zwrotną dotyczącą dopasowania i wykonalności. I odwrotnie, bez możliwości załadowania wszystkich odpowiednich komponentów w obszarze, którego dotyczy problem, zaprojektowanie komponentów tak, aby pasowały dokładnie do siebie, jest znacznie trudniejszym i czasochłonnym zadaniem. Oprócz zalet montażowych NX, projektanci SpaceX używają NX do symulacji ruchu, takiego jak oddzielenie pierwszego i drugiego stopnia rakiety, w celu dalszego sprawdzenia swojej pracy.

SpaceX wykorzystuje swoje dane NX również na inne sposoby. Technicy w hali produkcyjnej przyglądają się modelom NX, gdy budują rakietę, aby lepiej zrozumieć jej wewnętrzne działanie. Jest to szczególnie przydatne na przykład do obserwowania tras rur i przewodów wewnątrz rakiety. SpaceX ma obrabiane w metalu modele w skali, których używa do celów marketingowych, a także wytwarzania trybów przez firmę SLA. Firma, która produkuje te modele, działa bezpośrednio na geometrii NX. Ponadto SpaceX opracował materiał wideo, na którym symuluje uruchomienie Falcon. Firma, która zrobiła to wideo, zaimportowała model szkieletowy rakiety w natywnym formacie NX do swojego oprogramowania do animacji.

Zarządzane środowisko programistyczne SpaceX poprawiło współpracę w firmie. Projektowanie rakiety wymaga skoordynowanego wysiłku trzech różnych zespołów inżynierów: napędu, konstrukcji i awioniki. W SpaceX zespoły te znajdują się w różnych budynkach. Teamcenter zarządza wszystkim, co jest związane z projektowaniem rakiet, dzięki czemu zespoły mogą pracować nad różnymi częściami rakiety w NX, Femap, a dzięki Teamcenter, nie martwią się o wzajemne zakłócenia. „Jeśli projektant konstrukcji wykonuje pracę nad częścią, inżynier w innym budynku może przyjrzeć się tej części i upewnić się, że nie koliduje ona z tym, nad czym on pracuje. Mogą też wcześnie omówić potencjalne problemy. Mamy teraz pełną współpracę zespołową i to jest ogromna zaleta ”- mówi Thompson.

Pomiędzy znacznie lepszą kontrolą procesu, która jest możliwa dzięki Teamcenter, a wyższą produktywnością wynikającą z przejścia na NX, SpaceX odnotował 50% wzrost wydajności. Obecnie SpaceX korzysta również z oprogramowania Simcenter STAR CCM+ Wykorzystując w pełni cyfrowo zarządzane środowisko programistyczne zbudowane na NX i Teamcenter, rakieta Falcon firmy SpaceX przeszła z fazy rozwoju do produkcji i premiery. Na chwilę obecną jest to:

99	60	42
Całkowita liczba startów	Liczba ładunków	Powrotnych lądowań

Start rakiety i lądowanie pierwszego stopnia:

Start załogowej misji Crew-1 mająca na celu dowiezienie astronautów na stacje kosmiczną ISS

Statek kosmiczny Dragon 2, nazwany przez astronautów Resilience, wystartował na szczycie rakiety Falcon 9 z platformy LC-39A w Centrum Kosmicznym im. Kennedy’ego (KSC) na Florydzie 16 listopada o godzinie 01:27 czasu polskiego (00:27 UTC). Na pokładzie znajdowało się troje astronautów NASA – Michael Hopkins, Victor Glower i Shannon Walker oraz astronauta japońskiej agencji JAXA – Soichi Noguchi. Nieco ponad 12 minut po starcie nastąpiła separacja Dragona od rakiety, a następnie otwarty został nos w przedniej części pojazdu, odsłaniając silniczki manewrowe Draco i port dokujący.

Procedura i start misji Crew-1:

Podczas tej misji wykorzystany został nowy pierwszy stopień rakiety Falcon 9. Po oddzieleniu się drugiego stopnia booster wylądował na autonomicznej platformie Just Read the Instructions (JRTI) na Oceanie Atlantyckim. Ma on zostać użyty ponownie podczas kolejnej załogowej misji SpaceX do ISS.

Podczas lotu na stację wystąpiły niewielkie problemy. Grzałki w przewodach paliwowych trzech z czterech zestawów silników Draco nie działały po dotarciu na orbitę, lecz modyfikacja limitów w czujnikach mierzących opór, ustawionych zbyt restrykcyjnie, sprawiła, że grzałki zaczęły funkcjonować prawidłowo. Ven Feng, zastępca menedżera programu komercyjnych lotów załogowych NASA, stwierdził, że SpaceX bardzo szybko zidentyfikowało źródło problemu i wskazania czujników były minimalnie poza bardzo restrykcyjnymi limitami. Temperatura paliwa w żadnym momencie nie spadła poniżej 24°C, przy granicy bezpieczeństwa wynoszącej 16°C. Pojawił się także problem z systemem kontroli termicznej, który zgłosił ostrzeżenie o zbyt niskim poziomie temperatury w kabinie. Ten problem jednak także szybko rozwiązano i w dalszej części lotu nie odnotowano kolejnych trudności. Tego typu problemy nie są zaskoczeniem przy korzystaniu z nowego statku i najważniejsze, że życie i zdrowie załogi nie było w żadnym momencie zagrożone.

Pierwszy manewr za pomocą silników Draco odbył się niecałe dwie godziny po starcie. Następnie załoga zjadła wieczorny posiłek i udała się na spoczynek, otrzymując osiem godzin na sen. W czasie lotu wykonano kilka kolejnych manewrów i około godziny 02:00 czasu polskiego (01:00 UTC) Dragon zbliżył się na 30 kilometrów do stacji i rozpoczęto finalną fazę podejścia. Około 20 minut przed dokowaniem pojazd znalazł się w osi z portem dokującym na stacji, docierając do pierwszego punktu nawigacyjnego 220 metrów od portu.

Dragon zadokował do modułu Harmony na ISS o godzinie 05:01 czasu polskiego (04:01 UTC). Przeprowadzono testy szczelności oraz dokonano kompresji przedsionka przy porcie dokującym. Właz kapsuły otwarto około dwie godziny po dokowaniu. Po dotarciu na ISS czwórka astronautów dołączyła do znajdującej się tam załogi składającej się z amerykańskiej astronautki Kate Rubins oraz dwóch rosyjskich kosmonautów, Siergieja Ryżikowa i Siergieja Kud-Swierczkowa. Dotarli oni na stację w październiku za pomocą rosyjskiego statku Sojuz.

SpaceX and NASA’S Crew 1 Mission Highlights

Crew-1 rozpoczyna erę operacyjnych misji komercyjnych na ISS. Umożliwia to nie tylko uniezależnienie się NASA od startów na rosyjskich rakietach, lecz także zwiększenie stałej załogi stacji z sześciu do siedmiu osób, dzięki czemu będzie można nawet podwoić czas spędzany przez astronautów amerykańskiej części stacji na pracach nad eksperymentami naukowymi, z około 35 godzin do około 70 godzin tygodniowo.

Dragon dokuje na ISS

Statek pozostanie na stacji przez około sześć miesięcy, powrót planowany jest kilka tygodni po starcie kolejnej misji załogowej SpaceX – Crew-2 – której start wstępnie planowany jest na koniec marca 2021 roku.

Branża aerospace w Polsce

Tak więc jesteśmy świadkami, że synergia firm rządowych z prywatnymi odnosi sukcesy, jednocześnie cieszymy się, że firmy te używają programów, z którymi na co dzień pracujemy, a sukcesy misji NASA i SpaceX potwierdzają jakość tych systemów. W tym miejscu warto zaznaczyć, że nie tylko zagraniczne firmy mają sukcesy w branży kosmicznej. W Polsce jest dużo firm z branży aerospace. Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego zrzeszają duże firmy, małe i średnie przedsiębiorstwa oraz instytuty naukowo-badawcze, działające w branży kosmicznej. Do związku należą nasi klienci, którzy również z sukcesami używają oprogramowania Siemens dostarczonego przez firmę GM System, m.in. Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa.

Firma SpaceX, której właścicielem jest Elon Musk – właściciel Tesli, spełnia marzenia o podboju kosmosu, a jak wiemy, jego marzeniem jest wylądowanie na Marsie. Jak na razie wszystko idzie pomyślnie i być może już nie długo będziemy świadkami pierwszych kroków człowieka po czerwonej planecie. Marzenia się spełniają, ale z dobrym softem będzie to po prostu łatwiejsze.

Zobacz też:

https://www.youtube.com/channel/UCtI0Hodo5o5dUb67FeUjDeA – Kanał youtube SpaceX

https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceX

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_private_spaceflight_companies

https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9

https://en.wikipedia.org/wiki/Private_spaceflight#NewSpace_terminology

https://spacex.com.pl/

https://www.spacex.com/

https://www.instagram.com/p/CHypE2Tl8sO/

https://blogs.sw.siemens.com/nx-design/re-igniting-the-dream-of-space/

https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/apollo-13-the-first-digital-twin/

https://www.nasa.gov/