NASA migliora l’analisi degli urti e delle vibrazioni

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Ilustracja: NASA — NASA/Clayton Rougelot

I razzi vibrano, tremano e si flettono intensamente mentre salgono nello spazio, e le navicelle cariche di delicati strumenti scientifici devono sopravvivere a queste forze. Prima che qualsiasi razzo decolli, gli ingegneri della NASA lavorano per prevedere come queste tensioni influenzeranno ogni parte di una navicella.

Per farlo, gli ingegneri del Dynamic Environments Group dell'Ufficio del Launch Services Program della NASA presso il Kennedy Space Center dell'agenzia in Florida hanno semplificato il modo in cui garantiscono che veicoli spaziali e razzi possano resistere a forti vibrazioni, urti, stress o altre forze fisiche, rafforzando la sicurezza della missione nel processo.

Utilizzando uno strumento software digitale commerciale in modo innovativo, gli ingegneri hanno sviluppato un flusso di lavoro standardizzato di modellazione per la modellazione agli elementi finiti per rafforzare l'analisi di urti e vibrazioni e garantire che l'hardware sia preparato per gli ambienti estremi di lancio e ascesa.

"Questo metodo basato su computer aiuta a prevedere come razzi e veicoli spaziali si comportano in condizioni estreme prima che l'hardware venga costruito e aiuta a identificare precocemente punti deboli e potenziali rischi di guasto, così che il team possa affrontare i risultati", ha detto Brian Beaver, capo della Divisione Analisi del Volo presso l'Ufficio del Programma Servizi di Lancio presso NASA Kennedy.

Il team ha recentemente utilizzato il software per la prima volta durante la certificazione di un razzo di un fornitore di lancio commerciale selezionato per una missione NASA. Il partner commerciale ha fornito test di vibrazione ma non test di urto. Il Dynamic Environments Group ha stabilito che erano necessari i test di urto e ha utilizzato un modello creato per eseguire confronti what-if, visualizzare il comportamento strutturale e rispondere a domande complesse che in passato avrebbero richiesto una modellazione manuale approfondita. Il team ha verificato i risultati dei test dell'azienda per gli ambienti di volo e l'analisi ha fornito nuove intuizioni sugli shock durante il trasporto.

"Stiamo usando uno strumento che esiste da decenni, ma che normalmente non viene utilizzato dalle discipline degli ambienti dinamici", ha detto Alex Hardt, ingegnere aerospaziale presso il Launch Services Program Office della NASA Kennedy. "Ma stiamo cambiando questo. Lo stiamo usando in un'area relativamente nuova della dinamica."

Sebbene razzi e veicoli spaziali siano progettati per assorbire urti e vibrazioni, queste forze possono causare usura o potenzialmente fallimenti di volo, specialmente durante il lancio e la salita.

"Definiamo quanto sono gravi i livelli casuali di vibrazione e di urto, e poi verifichiamo che tutte le parti destinate ai futuri razzi siano state testate a quei livelli, massimizzandone la durata", ha detto Hardt.

Per decenni, gli ingegneri hanno stimato ambienti di urti e vibrazioni usando regole empiriche o scalando dati precedenti per stimare come ogni componente del razzo o equipaggiamento spaziale sarebbe stato impattato, una volta assemblato e pilotato. L'approccio ha funzionato, ma si è basato molto sul giudizio ingegneristico e su semplici approssimazioni tratte da missioni passate.

Poiché la maggior parte degli ambienti dinamici gli ingegneri usano raramente strumenti di modellazione agli elementi finiti, spesso devono reimparare flussi di lavoro complessi. Il software sostituisce strumenti più vecchi e fornisce un template standard che guida gli ingegneri più rapidamente e a fondo attraverso profili di vibrazione e condizioni di urto.

L'analisi agli elementi finiti è una potente tecnica di simulazione che scompone una struttura complessa in componenti più piccoli, così che i computer possano prevedere con precisione come un veicolo spaziale o un razzo potrebbe rispondere a forze o ambienti di lancio specifici. Questo è importante perché i problemi possono essere affrontati a terra; una volta che il razzo lascia la rampa di lancio, la maggior parte dei problemi non può essere riparata o corretta, rendendo essenziale un'identificazione precoce.

"L'abbiamo usato per ottenere rapidamente informazioni preziose sulla verifica del sistema di un fornitore," ha detto Hardt. "Ha già fornito approfondimenti molto profondi su qualcosa che normalmente richiede molto impegno."

Hardt afferma che la capacità di visualizzare problemi dinamici non intuitivi utilizzando modelli agli elementi finiti evidenzia anche il prezioso impatto del software sull'apprendimento, sull'efficienza e sull'allineamento con la cultura incentrata sulle persone della NASA. Il flusso di lavoro può aiutare gli ingegneri a condividere conoscenze, affinare le valutazioni con dati di volo aggiuntivi e aumentare la competenza con gli strumenti di modellazione. Questa capacità ha già fatto risparmiare mesi permettendo al team di eseguire analisi in modo indipendente senza dover richiedere e attendere rapporti o dati di analisi, e aiutandoli a identificare rischi che prima non erano stati considerati.

L'Ufficio del Programma Servizi di Lancio della NASA è responsabile del lancio dei razzi che trasportano veicoli spaziali che osservano la Terra, visitano altri pianeti ed esplorano l'universo, dai satelliti meteorologici ai telescopi spaziali fino ai rover su Marte. Il team adotta costantemente nuovi strumenti come questo per dare all'agenzia la massima possibilità pratica di successo per ogni missione.

Fonte: NASA · Comunicato originale