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Die NASA verbessert die Schock- und Vibrationsanalyse

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Ilustracja: NASA
NASA/Clayton Rougelot

Raketen vibrieren, wackeln und biegen sich intensiv, wenn sie ins All steigen, und Raumfahrzeuge, die mit empfindlichen wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet sind, müssen diesen Kräften standhalten. Bevor eine Rakete abhebt, arbeiten NASA-Ingenieure daran, vorherzusagen, wie diese Belastungen jeden Teil eines Raumfahrzeugs beeinflussen werden.

Dazu haben Ingenieure der Dynamic Environments Group im Launch Services Program Office der NASA am Kennedy Space Center der Behörde in Florida ihre Sicherstellung optimiert, dass Raumfahrzeuge und Raketen starken Vibrationen, Schocks, Belastungen oder anderen physischen Kräften standhalten können, wodurch die Missionssicherheit gestärkt wird.

Mit einem kommerziellen digitalen Softwaretool auf neue Weise entwickelten die Ingenieure einen standardisierten Modellierungsworkflow für Finite-Elemente-Modellierung, um die Stoß- und Vibrationsanalyse zu stärken und sicherzustellen, dass die Hardware auf die extremen Umgebungen von Start und Aufstieg vorbereitet ist.

"Diese computerbasierte Methode hilft dabei, vorherzusagen, wie sich Raketen und Raumfahrzeuge unter extremen Bedingungen verhalten, bevor die Hardware gebaut wird, und hilft dabei, Schwachstellen und potenzielle Ausfallrisiken frühzeitig zu identifizieren, damit das Team die Ergebnisse angehen kann", sagte Brian Beaver, Leiter der Fluganalyseabteilung im Launch Services Program Office bei NASA Kennedy.

Das Team nutzte die Software kürzlich zum ersten Mal, als es die Rakete eines kommerziellen Startanbieters zertifizierte, die für eine NASA-Mission ausgewählt wurde. Der kommerzielle Partner führte Vibrationstests, aber keine Schocktests durch. Die Dynamic Environments Group stellte fest, dass Stoßtests notwendig waren, und verwendete eine von der Gruppe erstellte Vorlage, um Was-wäre-wenn-Vergleiche durchzuführen, strukturelles Verhalten zu visualisieren und komplexe Fragen zu beantworten, die früher umfangreiche manuelle Modellierung erfordert hätten. Das Team überprüfte die Testergebnisse des Unternehmens für Flugumgebungen, und die Analyse lieferte neue Erkenntnisse zu Schocks während des Transports.

"Wir verwenden ein Werkzeug, das seit Jahrzehnten existiert, aber normalerweise nicht von den Disziplinen dynamischer Umgebungen genutzt wird", sagte Alex Hardt, Luft- und Raumfahrtingenieur im Launch Services Program Office bei NASA Kennedy. "Aber wir ändern das. Wir setzen es in einem relativ neuen Bereich der Dynamik ein."

Obwohl Raketen und Raumfahrzeuge darauf ausgelegt sind, Stöße und Vibrationen abzufedern, können diese Kräfte zu Verschleiß oder möglicherweise Flugfehlern führen, insbesondere beim Start und Aufstieg.

"Wir definieren, wie schwerwiegend die zufälligen Vibrations- und Stoßstufen sind, und überprüfen dann, dass alle Teile zukünftiger Raketen auf diesem Niveau getestet wurden, um ihre Lebensdauer zu maximieren", sagte Hardt.

Seit Jahrzehnten schätzen Ingenieure Schock- und Vibrationsumgebungen anhand von Faustregeln oder durch Skalierung früherer Daten, um abzuschätzen, wie jede Raketenkomponente oder Raumfahrzeugausrüstung nach Montage und Flug betroffen sein würde. Der Ansatz funktionierte, stützte sich jedoch stark auf technisches Urteil und einfache Annäherungen aus früheren Missionen.

Da die meisten dynamischen Umgebungen Ingenieure Finite-Elemente-Modellierungswerkzeuge selten verwenden, müssen sie oft komplexe Arbeitsabläufe neu erlernen. Die Software ersetzt ältere Werkzeuge und bietet eine Standardvorlage, die Ingenieure schneller und umfassender durch Vibrationsprofile und Stoßbedingungen führt.

Finite-Elemente-Analyse ist eine leistungsstarke Simulationstechnik, die eine komplexe Struktur in kleinere Komponenten aufteilt, damit Computer genau vorhersagen können, wie ein Raumfahrzeug oder eine Rakete auf bestimmte Kräfte oder Startumgebungen reagieren könnte. Dies ist wichtig, weil Probleme am Boden gelöst werden können; sobald die Rakete die Startrampe verlässt, können die meisten Probleme nicht behoben oder behoben werden, weshalb eine frühzeitige Identifikation unerlässlich ist.

"Wir haben es genutzt, um sehr schnell wertvolle Einblicke in die Verifizierung des Systems eines Anbieters zu gewinnen", sagte Hardt. "Es hat bereits sehr tiefe Einblicke in etwas gegeben, das normalerweise viel Aufwand erfordert."

Hardt sagt, dass die Fähigkeit, nicht-intuitive Dynamikprobleme mit Finite-Elemente-Modellen zu visualisieren, auch den wertvollen Einfluss der Software auf Lernen, Effizienz und die Ausrichtung an die personalorientierte Kultur der NASA hervorhebt. Der Workflow kann den Ingenieuren helfen, Wissen zu teilen, Bewertungen mit zusätzlichen Flugdaten zu verfeinern und die Kompetenz mit Modellierungswerkzeugen zu steigern. Diese Fähigkeit hat bereits Monate gespart, indem sie es dem Team ermöglicht, Analysen unabhängig durchzuführen, ohne auf Analyseberichte oder Daten warten zu müssen, und indem sie dabei hilft, Risiken zu identifizieren, die zuvor nicht berücksichtigt wurden.

Das Launch Services Program Office der NASA ist verantwortlich für den Start von Raketen, die Raumfahrzeuge liefern, die die Erde beobachten, andere Planeten besuchen und das Universum erforschen – von Wettersatelliten über Weltraumteleskope bis hin zu Mars-Rovern. Das Team setzt ständig neue Werkzeuge wie diese ein, um der Agentur für jede Mission die höchste praktische Erfolgschance zu geben.

Quelle: NASA · Originalmeldung

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