航空航天工程师合作进行“追梦者号”航天器

内华达山脉公司(Sierra Nevada Corp.)的梦之队(Dream Team)共同努力,进行了国际合作,以夺回类似航天飞机的航天器。

位于加利福尼亚州爱德华兹的NASA德莱登飞行研究中心跑道上的追梦人。图片由NASA提供。


 美国宇航局 位于加利福尼亚州爱德华兹的NASA德莱登飞行研究中心跑道上的追梦人。图片由NASA提供。

Mankind一直在太空中生活了14年。国际空间站(ISS)的第一个模块于1998年在俄罗斯质子火箭上发射。不到一个月后,奋进号航天飞机交付了下一个模块,该模块开始了人类历史上最大的单一建造工作—最终结合了美国,俄罗斯,欧洲,加拿大和日本航天局的资源。如今,国际空间站的规模已大致达到一个足球场的大小,来自14个国家的200多名宇航员都曾参观过。

但是自从三年前航天飞机退役以来,美国还没有运送过任何宇航员。亚特兰蒂斯号于2011年从国际空间站返回,标志着30年的航天飞机飞行任务结束。在艾伦·谢泼德(Alan Shepard)成为第一位进入太空的美国人和第二个人之后的五十年,所有飞往国际空间站的载人航天飞行都依赖于俄罗斯联盟号飞船。

航天飞机2.0

航天飞机的退役恰逢NASA商业轨道运输服务(COTS)计划的成功,该计划激励私营公司开发将运载工具送入低轨道的航天器,并启动相关的商业船员计划(CCP)的工作,载人航天。

上次航天飞机发动之前,私有化的文字就写在墙上。加利福尼亚的一家名为SpaceDev的公司以这种趋势着称,该公司以与微卫星和火箭发动机的合作而闻名。

“我们开始思考,'如果要重新制造航天飞机,您会怎么做?'”马克·西兰格罗回忆说。马克西兰格罗曾是SpaceDev的董事长兼首席执行官,然后在2008年与内华达山脉公司(SNC)合并。西兰格罗现在是公司SNC空间系统副总裁。 “我们没有太多的资源,所以我们一直在寻找符合要求的车辆。”

Sirangelo在位于弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心机库角落的篷布下找到了他所谓的公司的“太空多功能车”。 HL-20是一种太空飞机概念,可以在常规跑道上水平降落。它最初是为扩大航天飞机而开发的,当时美国宇航局计划最多容纳10名国际空间站的人员。当时的想法是将其用作机组人员的救援工具,但是当NASA决定不让那么多机组人员使用ISS时,这种想法就被废弃了。

机库中的模型是NASA,北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳州A之间合作协议的一部分&T大学。它已用于进行物理乘员测试,以确保所有乘员都能穿着其宇航服登上并操作该飞行器。然而,对Sirangelo最具吸引力的是罗克韦尔国际公司太空系统部对设计进行了1200次风洞测试。总而言之,HL-20在那个篷布下隐藏了超过九年的工程开发时间。

“鉴于新的一天和新的思维过程,我们进了一步,做出了两个关键的决定,” Sirangelo说。 “一个:让我们来看看一辆在外模线上已经工作了将近10年的汽车,以及经过20年开发的起重车体设计;还有两个,让我们将其与现有的火箭Atlas V配对。”

与从头开始相比,这些决定节省了大量的时间和金钱,但是HL-20仍然只是一个平台。它没有航空电子设备,生命支持或推进系统,也没有任何命令和控制,会合或对接所需的软件。为了制造出梦想追赶者可重复使用的航天器,SNC决定组建一个梦之队。

平衡工程协作与复杂性

SNC 太空系统业务开发副总裁John Roth表示:“我们在Dream Chaser上采用的方法是,我们更喜欢组队和集成技术,而不是垂直集成。”罗斯在2008年被SNC收购之前曾担任MicroSat Systems Inc.的总裁。“有些公司试图自己开发所有技术。我们坚信我们不是所有方面的专家。”

追梦者梦之队由航空航天业的成员组成,包括洛克希德·马丁公司,联合发射联盟,德雷珀实验室,Aerojet Rocketdyne,麦克唐纳德·迪特维尔&Associates Ltd.,UTC航空航天系统,Jacobs,Moog Broad Reach,Siemens PLM Software,西南研究院等。 SNC 还与9所美国大学和9个NASA中心和设施合作。最后,该公司已与欧洲航天局(ESA),德国航天中心(DLR)和日本航天局(JAXA)建立了合作协议,按照全球合作模式探索潜在的低地球轨道飞行任务由国际空间站。

梦之队通过不重新发明轮子来简化梦Cha以求的开发—或者在这种情况下是火箭。 “我们使用具有悠久历史的子系统和技术,” Sirangelo说。 “简单性有很多形式。在我的世界中,简单性专注于需要创建的事物,而不是创建别人已经完成的事物。”

 SNC 内华达山脉公司(Sierra Nevada Corp.)的Dream Chaser的举升体设计使其有可能降落在任何商业跑道上,并与航天飞机进行比较。图片由SNC提供。

将现有的技术专家汇聚在一起,可以使SNC缩短开发时间,并且与其他太空机构合作开发其程序,使该公司可以实现Dream Chaser平台的多样化。 SNC 已从美国宇航局获得了超过3.37亿美元的合同和奖励,用于机组人员运输的开发,但最终选择了波音和SpaceX继续在CCP进行飞行,最早有可能在2017年将宇航员打入ISS。

但是,Dream Chaser的变体可以用于执行载货任务,抓取和清除空间碎片,并可以为NASA,ESA,DLR,JAXA或私人公司进行科学实验。多个合作伙伴和目标可提高车辆的灵活性,但也增加了在已经很复杂的工程工作流程中增加协作复杂性的危险。

除了Dream Team中代表的多CAD环境外,SNC本身也分为六个不同的业务部门。即使在空间系统业务中(这部分业务是由许多收购组成的),不同的工程师也习惯于使用不同的设计工程软件。

罗斯说,将所有这些工程团队召集在一起,暴露了在使用大型计算机辅助设计文件时的一些弱点。

他补充说:“我们立即发现某些CAD软件包存在一些很大的局限性。”例如,Dream Chaser 计算机辅助设计 模型的大小以及生命支持,航空电子设备等的复杂性比卫星系统复杂得多。这就是我们在NX平台上安顿下来的方式。”

仿真主导设计

罗斯表示,SNC使用Siemens PLM Software的NX集成产品设计,工程和制造软件节省了20%的时间。他说:“在其他产品中,CAD模型要花费很多时间来加载,保存和处理,”他指出系统崩溃是很常见的。 “这是工程师们的一大抱怨。”

SNC 的Dream Chaser计划的高级总监兼共同项目经理John Curry支持罗斯的观点。库里(Curry)是NASA的前航天飞机和空间站飞行主管。他于2010年加入SNC,领导Dream Chaser的集成系统设计,开发,测试和评估工作。

库里说,以仿真为主导的设计是降低成本同时提高安全性的关键。

他说:“我们希望将安全(送人到太空)的成本提高10倍,成本是以前的成本的1/20倍。” “首先通过仿真进行快速原型设计是一条更快的途径。”

但是该路径被所需的文件大小所阻塞。

他说:“我们的CFD(计算流体动力学)文件大小为10兆字节至10千兆字节。” “在CAD方面,当前的顶级组件在我的机器上占用约8GB的内存。当我将其导出到STEP(产品模型数据交换的标准)文件中时,最上面的程序集的总数据量接近2GB。我们目前的顶级组件中有8,000多个零件。”

SNC 使用STEP格式的文件与使用不同CAD软件的合作伙伴共享模型。在内部,该公司将NX用于CAD并用于计算机辅助工程(CAE)文件的预处理和后处理,而Nastran作为其求解器。西门子的Teamcenter用于管理CAE和设计数据。

“在设计周期中如何进行工作方面,我们所做的所有工作,” Curry说。 “所有要求必须同时同步。效率至关重要,我们承担不起犯错误的责任。”

航空航天设计的传承与人文

最近的悲剧导致维珍银河(Virgin Galactic)的SpaceShipTwo测试飞行员丧生和受伤,轨道科学公司的Antares火箭自10月发射后就遭到自毁,这凸显了这一点,这说明了为什么错误不是太空飞行的选择。

就SNC而言,目前只有一个Dream Chaser被用于测试。

“我们将很多硬件要求提前提出来,” Sirangelo说。 “航天飞机企业飞行了五次,从未进入轨道。我们遵循了制造测试车辆的道路。”

Sirangelo说SNC为Dream Chaser的航天飞机传统感到自豪,但是新的软件技术增加了航天飞机工程师从未遇到的功能和复杂性。

 SNC NX Nastran用于对全球FEM进行大量分析。对所有操作环境和工况进行评估,以确保整个平台的结构强度和稳定性。图片由SNC提供。

他说:“实际上,我们正在创造从未做过的事情。” “航天飞机已经飞行了135次,但它不是软件驱动的飞行器。我的笔记本电脑比航天飞机拥有更多的软件功能。人们普遍认为我们是航天飞机的更小,更高效的版本,但事实是它是完全不同的运载工具。”

追梦者号需要完全自主飞行。 SNC 负责所谓的“恐怖的七分钟”的最后一刻,这使火星漫游者的好奇心得以降落,它熟悉机器人飞行的要求和复杂性。

“这不仅是软件,而且是软件与所有其他需要发生的事情集成的方式,” Sirangelo说。例如,他调出了Dream Chaser软件,该软件可以预测天气,以便它可以指导硬件纠正阵风—全部以17,500 mph的速度行驶。这是人类无法做出足够快的决定。

但是,要将该软件开发为复杂系统的一部分,关系是关键。为了确保所有Dream Team成员同时完成其设计周期要求,可能需要一位合作伙伴加班或换档。 “这不仅仅需要技术,” Sirangelo说。 “这需要与合作伙伴保持良好的关系,以便他们在需要时不断前进。”

他说,成功取决于能否建立每个人都有共同看法的关系。在高效的工作流程中使用时,设计工程技术—从CAD,仿真和可视化软件到工作站和原型—支持该共同愿景。

“透明度让事情变得简单,” Sirangelo说。 “我们使用的技术工具实现了透明性,使透明设计可以更早地开始。”

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