La NASA améliore l’analyse des chocs et des vibrations

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Ilustracja: NASA — NASA/Clayton Rougelot

Les fusées vibrent, tremblent et fléchissent intensément en montant dans l’espace, et les vaisseaux chargés d’instruments scientifiques délicats doivent survivre à ces forces. Avant qu’une fusée ne décolle, les ingénieurs de la NASA travaillent à prédire comment ces contraintes affecteront chaque partie d’un vaisseau spatial.

Pour ce faire, les ingénieurs du groupe Environnements Dynamiques du bureau du programme Launch Services de la NASA au Kennedy Space Center de l’agence en Floride ont simplifié la manière dont ils garantissent que les engins spatiaux et les fusées peuvent résister à des vibrations violentes, des chocs, des contraintes ou d’autres forces physiques, renforçant ainsi la sécurité de la mission.

En utilisant un outil logiciel numérique commercial de manière nouvelle, les ingénieurs ont développé un flux de travail standardisé de modélisation pour la modélisation par éléments finis afin de renforcer l’analyse des chocs et vibrations et de garantir que le matériel soit prêt pour les environnements extrêmes de lancement et d’ascension.

« Cette méthode informatisée aide à prédire le comportement des fusées et des engins spatiaux dans des conditions extrêmes avant la construction du matériel et permet d’identifier rapidement les points faibles et les risques potentiels de défaillance afin que l’équipe puisse analyser les résultats », a déclaré Brian Beaver, chef de la division d’analyse de vol au bureau du programme des services de lancement de la NASA Kennedy.

L’équipe a récemment utilisé le logiciel pour la première fois lors de la certification d’une fusée d’un fournisseur de lancement commercial sélectionnée pour une mission de la NASA. Le partenaire commercial a fourni des tests de vibration mais pas de choc. Le groupe Dynamic Environments a déterminé que des tests de choc étaient nécessaires et a utilisé un modèle créé par le groupe pour effectuer des comparaisons hypothétiques, visualiser le comportement structurel et répondre à des questions complexes qui auraient nécessité une modélisation manuelle approfondie par le passé. L’équipe a vérifié les résultats des tests de l’entreprise pour les environnements de vol, et l’analyse a apporté de nouvelles perspectives sur les chocs pendant le transport.

« Nous utilisons un outil qui existe depuis des décennies, mais qui n’est normalement pas utilisé par les disciplines des environnements dynamiques », a déclaré Alex Hardt, ingénieur aérospatial au Launch Services Program Office de la NASA Kennedy. « Mais nous changeons cela. Nous l’utilisons dans un domaine relativement nouveau de la dynamique. »

Bien que les fusées et les engins spatiaux soient conçus pour absorber les chocs et les vibrations, ces forces peuvent provoquer une usure ou potentiellement des défaillances de vol, notamment lors du lancement et de la montée.

« Nous définissons la gravité des niveaux de vibration aléatoire et de choc, puis nous vérifions que toutes les pièces destinées aux futures fusées ont été testées à ces niveaux, maximisant ainsi leur longévité », a déclaré Hardt.

Pendant des décennies, les ingénieurs estiment les environnements de chocs et de vibrations en utilisant des règles empiriques ou en mettant à l’échelle des données antérieures pour estimer comment chaque composant de fusée ou équipement de vaisseau spatial serait impacté une fois assemblé et piloté. L’approche fonctionnait, mais reposait fortement sur le jugement technique et des approximations simples tirées de missions passées.

Comme la plupart des environnements dynamiques utilisent rarement des outils de modélisation par éléments finis, ils doivent souvent réapprendre des flux de travail complexes. Le logiciel remplace les anciens outils et fournit un modèle standard qui guide les ingénieurs plus rapidement et en profondeur à travers les profils de vibrations et les conditions de choc.

L’analyse par éléments finis est une technique de simulation puissante qui décompose une structure complexe en composants plus petits afin que les ordinateurs puissent prédire avec précision comment un engin spatial ou une fusée pourrait réagir à des forces ou environnements de lancement spécifiques. Cela est important car les problèmes peuvent être traités au sol ; une fois que la fusée quitte la rampe de lancement, la plupart des problèmes ne peuvent ni être réparés ni corrigés, rendant une identification précoce essentielle.

« Nous l’avons utilisé pour obtenir très rapidement des informations précieuses afin de vérifier le système d’un prestataire », a déclaré Hardt. « Cela a déjà fourni des informations très profondes sur un sujet qui demande normalement beaucoup d’efforts. »

Hardt explique que la capacité à visualiser des problèmes de dynamique non intuitive à l’aide de modèles à éléments finis met également en lumière l’impact précieux du logiciel sur l’apprentissage, l’efficacité et l’alignement avec la culture centrée sur les personnes de la NASA. Ce flux de travail peut aider les ingénieurs à partager leurs connaissances, affiner les évaluations avec des données de vol supplémentaires et améliorer leur maîtrise des outils de modélisation. Cette capacité a déjà permis à l’équipe de réaliser des analyses de manière indépendante sans avoir à demander ni attendre des rapports ou des données, et en les aidant à identifier des risques qui n’avaient pas été pris en compte auparavant.

Le Bureau du Programme des Services de Lancement de la NASA est responsable du lancement des fusées livrant des engins spatiaux qui observent la Terre, visitent d’autres planètes et explorent l’univers, des satellites météorologiques aux télescopes spatiaux en passant par les rovers martiens. L’équipe adopte constamment de nouveaux outils comme celui-ci pour offrir à l’agence les meilleures chances pratiques de réussite pour chaque mission.

Source: NASA · Communiqué original