JPL (NX) case study (German)

Luft- und Raumfahrt
JPL
Auf dem Weg zum Mars mit einem Temperaturregelungssystem, das mithilfe von
NX entwickelt wurde
Produkt
NX
Wirtschaftliche
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 KonstruktionsBerechnungs-Iterationen
Weniger manuelle Arbeiten
und Nachbearbeitungen;
gesteigerte Effizienz
Höheres Vertrauen in die
Hardware-Modellierung, die
Konstruktionsimplementierung
und in Missionssimulationen
Genaueres Testprogramm
Die nahtlose, interdisziplinäre
Integration von Konstruktion,
Berechnung und Fertigung
ermöglichte es JPL, die thermischen
Herausforderungen für das
Mars Science Laboratory zu
meistern.
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
Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA/JPL-Caltech
gegenüberliegenden Seiten des Planeten.
Dieser Aufgabe gehen sie seit Januar
2004 nach. Die ursprünglich für eine
dreimonatige Mission konzipierten MarsSonden 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
www.siemens.com/nx
Bilder mit freundlicher
Genehmigung der
NASA/JPL-Caltech
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.
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.
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
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.
... ermöglichte die Verwendung von NX die
Integration unterschiedlicher Arten von
Berechnungen, etwa die Berechnung
thermischer und mechanischer Verzerrungen.
Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA/JPL-Caltech
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 Konstruktionsund 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)/ComputerAided 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 Konstruktionsund 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 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.
Bilder mit freundlicher Genehmigung der NASA/JPL-Caltech
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.
... ein in gleichem Maße wichtiger
Vorteil der Verwendung von NX war
die Möglichkeit, die Performance des
Temperaturregelungssystems unter
Bedingungen zu bewerten, die JPL im
Rahmen von physikalischen Tests nicht
simulieren konnte.
Lösungen/Dienstleistungen
NX CAD
NX CAE
www.siemens.com/nx
Teamcenter
www.siemens.com/teamcenter
Kerngeschäft des Kunden
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.
www.jpl.nasa.gov
Kundenstandort
California Institute of
Technology
Pasadena, California
United States
JPL verwendet die
Teamcenter®-Software
von Siemens PLM Software.
Teamcenter ermöglicht die
Nutzung einer einzigen
Informationsquelle mit
strukturiertem Produktund Prozesswissen für
den gesamten digitalen
Lebenszyklus.
Teamcenter ermöglicht die
Nutzung einer einzigen
Informationsquelle mit
strukturiertem Produkt- und
Prozesswissen für den gesamten
digitalen Lebenszyklus.
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.
Siemens PLM Software
Deutschland +49 221 20802-0
Österreich +43 732 377550-0
Schweiz +41 44 75572-72
www.siemens.com/plm
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Z19-DE 37798 3/14 L