JPL
Aerospace & Defense NX Teamcenter Simcenter 3D Simcenter
JPL

Auf dem Weg zum Mars mit einem Temperaturregelungssystem, das mithilfe von NX entwickelt wurde

California Institute of Technology, Pasadena, United States

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Auf dem Weg zum Mars mit einem Temperaturregelungssystem, das mithilfe von NX entwickelt wurde

California Institute of Technology, Pasadena, United States
HERAUSFORDERUNGEN
  • Engere Zeitpläne
  • Hohe tägliche Temperaturschwankungen über die Dauer der Mission
  • Größerer Rover mit Radioisotopengenerator
SCHLÜSSEL ZUM ERFOLG
  • Eine Softwareplattform (NX) von der Entwicklung bis zur Fertigung
  • Digitales Baugruppenmodell des gesamten MSL
  • Multidisziplinäre Simulation mit der Software NX CAE
ERGEBNISSE
  • Schnellere Konstruktions-Berechnungs-Iterationen
  • Weniger manuelle Arbeiten und Nachbearbeitungen; gesteigerte Effizienz
  • Höheres Vertrauen in die Hardware-Modellierung, die Konstruktionsimplementierung und in Missionssimulationen
  • Genaueres Testprogramm

JPL

Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) ist ein föderativ gesponsertes Forschungs- und Entwicklungszentrum, das vom California Institute of Technology für die National Aeronautics and Space Administration verwaltet wird.

http://www.jpl.nasa.gov

JPL Case Study

Ein größerer und besserer Rover

Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) ist das in den Vereinigten Staaten führende Zentrum für die robotergestützte Erforschung des Sonnensystems. Seine Geschichte der Weltraumforschung und -erkundung umfasst über 50 Jahre und reicht von der Explorer 1 bis zur aktuellen Mars-Mission, die im November 2011 gestartet wurde und den Mars im August 2012 erreicht hat.

Diese letzte Mission mit der Bezeichnung Mars Science Laboratory (MSL) hat zum Ziel, ein mobiles Labor – den Curiosity-Rover – im Gale-Krater auf der Marsoberfläche abzusetzen. Der Mars-Rover „Curiosity“ soll feststellen, ob auf dem Mars jemals lebensfreundliche Bedingungen herrschten. Hierfür ist er mit einem Roboterarm ausgestattet, der Felsen anbohren und Bodenproben sammeln kann, die dann mit den internen Analyseinstrumenten untersucht werden können.

Neue thermische Konstruktions- und Berechnungsherausforderungen

Curiosity ist nicht der erste Rover, der vom JPL auf den Mars geschickt wurde. Der erste Rover mit dem Namen „Sojourner“ wurde bereits 1997 zum Mars geschickt. Zwei weitere, die Mars-Rover „Spirit“ und „Opportunity“, erkunden Regionen auf gegenüberliegenden Seiten des Planeten. Dieser Aufgabe gehen sie seit Januar 2004 nach. Die ursprünglich für eine dreimonatige Mission konzipierten Mars- Sonden haben die Erwartungen inzwischen weit übertroffen. Opportunity ist sogar heute noch aktiv. Obwohl die mit diesen Rovern gemachten Erfahrungen bei der Entwicklung des Temperaturregelungssystems des MSL zweifellos eine Rolle gespielt haben, gab es bei diesem Projekt große Unterschiede, die das JPL vor viele neue Herausforderungen stellten.

Der Stromgenerator von Curiosity, der Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG), erzeugt kontinuierlich eine beträchtliche Menge an Hitze. Aus diesem Grund musste das JPL für die Reise der Sonde einen leistungsstärkeren Hitzeschutz entwickeln. Außerdem ist die Nutzlast dieses Mars-Rovers größer und weist eine sehr viel höhere Wärmeableitung auf. Diese stärkere Hitzebelastung des Rovers machte den Einbau eines Hitzeschutzsystems erforderlich. Ein noch größerer Unterschied besteht jedoch darin, dass dieses System von Curiosity auch auf der Marsoberfläche funktionieren muss. Während das Wärmeschutzsystem für die Reise zum Mars nur in einem Modus arbeitet, um die Abwärme abzuleiten, ist das Hitzeschutzsystem des Rovers auf der Marsoberfläche sowohl für das Heizen als auch für das Kühlen zuständig.

Die Konstruktion des Temperaturregelungssystems für das MSL beschränkte sich jedoch nicht nur auf das Hitzeschutzsystem. Sie umfasste auch alle typischen Hardwarekomponenten zur Temperatursteuerung (Heizungen, Thermostate, thermische Beschichtungen sowie Thermodecken), mit deren Hilfe die Nutzlast und die Subsysteme des Raumfahrzeugs für alle Betriebsmodi und die verschiedenen Temperaturbedingungen, denen das MSL auf seiner Mission ausgesetzt sein wird, innerhalb des zulässigen Temperaturbereichs gehalten werden können.

Die höchsten Temperaturen, denen Teile des MSL-Flugsystems ausgesetzt waren, liegen beim Eintritt in die Marsatmosphäre Schätzungen zufolge bei 1.447 Grad Celsius (C). Der kältesten Umgebung ist die Sonde während ihrer Reise zum Mars durch die Kälte des Weltraums (2 Kelvin/-271 Grad C) ausgesetzt. Die Umgebungstemperaturen auf der Marsoberfläche liegen in einem Bereich von -135 Grad C bis + 50 Grad C.

Gesucht: nahtlose Integration

Vor etwa einem Jahrzehnt begann das JPL mit dem Aufbau einer technologischen Infrastruktur, die den immer aggressiveren Zeitplänen und den knapperen Budgets gewachsen war. Ein wichtiger Punkt dabei war die Einrichtung nahtloser Softwareschnittstellen von der konzeptionellen Entwicklung bis hin zur Fertigung. Dadurch könnte das JPL Übertragungsfehler, manuelle Prozesse und Interpolationen zwischen Vernetzungen minimieren. Die Minimierung von Fehlern und Nachbearbeitungen war ein entscheidender Punkt, um Konstruktions- und Fertigungspläne einhalten zu können.

Um solche Probleme anzugehen, implementierte das JPL die Software NX™ von Siemens PLM Software als eine End-to-End-Plattform zur mechanischen Konstruktion. Mit NX erhielt das JPL ein vollständig integriertes System für das Computer-Aided Design (CAD)/Computer-Aided Engineering (CAE)/Computer-Aided Manufacturing. Dieses System verwendete JPL zur Entwicklung der mechanischen Komponenten des MSL, inklusive des Temperaturregelungssystems.

Virtuelles MSL

Die Konstrukteure der mechanischen Komponenten bei JPL modellierten das gesamte MSL mit NX. In der Software existieren digitale Baugruppenmodelle des Rover, der Reisestufe und der Abstiegsstufe. Berechnungsingenieure verwendeten die NX-Geometrie als Basis für die Finite-Elemente-Netze. Da die Konstruktionsgeometrie und die Berechnungsnetze in einer einzigen Umgebung vorlagen, wurde die Zusammenarbeit zwischen Konstruktions- und Berechnungsteams verbessert. Zudem wurden die Dauer und der Aufwand für die Erstellung der Berechnungsmodelle verringert. Die integrierte NX-Umgebung ermöglichte den Ingenieuren des Weiteren die schnelle erneute Auswertung von Konstruktionen, während sich die mechanische Hardware weiterentwickelte.

Die Ingenieure von JPL begannen mit kleinen Simulationen (da es sich um das Pilotprogramm handelte), um die Annahmen für die Modelle zu validieren, wodurch sie schließlich darauf vertrauen konnten, dass ihre Modelle den physikalischen Begebenheiten korrekt entsprachen. Anschließend verwendeten Sie die NX CAE-Lösungen für thermische Berechnungen, um verschiedene physikalische Effekte wie die Strömung der Flüssigkeiten im Mars-Rover, die Heizungsregelung des Antriebssystems und die Belastung der Reisestufe durch die Sonnenstrahlung zu simulieren. Die Berechnungsergebnisse wurden verwendet, um die Konstruktionsgeometrie zu aktualisieren. Die Einfachheit und die Effizienz des Übergangs von der Konstruktion zu den thermischen Berechnungen und wieder zurück zur Aktualisierung der Konstruktionsgeometrie beschleunigte die Entwicklung des Temperaturregelungssystems des MSL erheblich. Die Zeitersparnis und die Einhaltung des Zeitplans waren sehr wichtig. Ein ebenso großer Vorteil der Verwendung von NX war die Möglichkeit, die Leistung des Temperaturregelungssystems unter Bedingungen zu testen, die das JPL in physikalischen Tests nicht hätte simulieren können.

Zusätzlich zu der engeren Integration von Konstruktion und Berechnung ermöglichte die Verwendung von NX die Integration unterschiedlicher Arten von Berechnungen, etwa die Berechnung thermischer und mechanischer Verzerrungen sowie von Belastungen. Vor NX hätten die Ingenieure eine Lösung für thermische Berechnungen verwendet und anschließend dem Strukturnetz manuell Temperaturen zugewiesen. Dieser manuelle Prozess ist dank NX vollständig entfallen.

Die Verwendung von NX ermöglichte überdies den einfacheren Zugriff auf verschiedenste Berechnungsarten. Beispielsweise mussten die Ingenieure auch darüber Bescheid wissen, ob bewegliche Komponenten mit anderen Komponenten oder Arbeitsabläufen des Rovers in Konflikt geraten würden. Aus Zeichnungen oder digitalen Modellen hätte dies nur sehr schwer abgelesen werden können. Mit NX Motion konnten Fragen wie diese ohne die Kosten und Verzögerungen physikalischer Tests beantwortet werden.

Es zeigt sich bereits jetzt, dass dieses Projekt viele der Vorteile gebracht hat, die sich die Organisation erhofft hat, als sie sich auf die Suche nach einer nahtlosen End-to-End-Lösung für die mechanische Konstruktion gemacht hat. Das Flugsystem des MSL ist die bisher komplexeste Mars-Mission für das JPL, bei dem neue Technologien und ein neuer Ansatz für den Eintritt, den Abstieg und die Landung zum Einsatz kamen. Aus diesem Grund lässt sich der Entwicklungszyklus nur sehr schwer mit früheren Missionen vergleichen. Es zeigt sich aber schon jetzt, dass die manuellen Arbeiten beim MSL-Programm im Vergleich zu früheren Programmen reduziert werden konnten und das Zusammenspiel zwischen Modellierung und Simulation effizienter erfolgte. Eine weitere potenzielle Fehlerquelle konnte dadurch ausgeschlossen werden, dass Daten nicht mehrmals in verschiedene Anwendungen eingegeben werden mussten. Somit war das Vertrauen seitens JPL in die Entwicklung des MSL sehr viel größer, als es sonst der Fall gewesen wäre.

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