Белорусские ученые знают, как ускорить создание космической техники
Космическая техника — штучное творение, а потому каждый экземпляр спутника или межпланетной станции, каждая их деталь или узел, за исключением редких унифицированных систем, проходит после проектирования весь цикл полномасштабных натурных испытаний на стендах. Понятно, что такая осторожность, не гарантирующая, впрочем, от обидных «проколов», так как на Земле воспроизвести все условия космического полета невозможно, выливается в большие расходы на оснастку испытательных стендов, используемую, как правило, только один раз, и в чрезмерные затраты времени на выполнение всех работ.
Поэтому довериться CALS-технологиям компьютерного проектирования и виртуальных испытаний, все шире применяемым в практике машиностроительных и авиационных конструкторских бюро, было логичным шагом. И этот шаг решено было сделать в рамках научно-технической программы Союзного государства Беларуси и России «Космос-НТ». Среди задач, поставленных перед Объединенным институтом проблем информатики Национальной академии наук Беларуси, там была названа разработка комплекса инструментальных программных средств автоматизированного проектирования испытательных стендов и компьютерного моделирования наземных испытаний космической техники.
— Разработанный комплекс, или виртуальный стенд, как мы его называем, представляет собой компьютерную программу, предназначенную в том числе и для суперкомпьютеров семейства «СКИФ», способную на порядок и более сократить сроки проектирования, — поясняет научный сотрудник лаборатории синтеза технических систем ОИПИ, главный конструктор проекта Григорий Иванец. — Решения мы отрабатывали на модельных узлах конструкции солнечных батарей, но найденные подходы распространяются и на создание других систем космических аппаратов. Начинали не с нуля, а использовали в качестве базовых инструментов такие известные и доступные в грид-сети программные комплексы, как LS-DYNA и MSC.ADAMS. Чтобы приспособить их для поставленных целей и полнее смоделировать реальные условия эксплуатации космических систем, нами были подготовлены собственные методики, написаны оригинальные программные модули.
На мониторе компьютера спроектированную учеными солнечную батарею космического аппарата можно вертеть во всех плоскостях, складывать и разворачивать в рабочее положение и даже имитировать испытания в земных условиях, воспроизводящих состояние невесомости, для чего она «подвешивается» на специальных балках. Разумеется, виртуальных. При этом все элементы конструкции солнечной батареи компьютер в динамике раскрашивает условными цветами, говорящими о том, какие нагрузки возникают в статическом положении и как распределяются поля напряжений, когда узлы приходят в движение. Можно также рассчитывать, какую нагрузку в условиях космического полета способны выдержать элементы конструкции при стыковке, например, или при попадании в корабль метеорита.
— Вот посмотрите, — предложил ученый. — Мы даем команду на раскрытие «гармошки» солнечной батареи и видим, как на самой анимации, так и на графике, что в последний момент перед ее полным развертыванием конструкция как бы «щелкает», то есть движется с резким ускорением в течение сотых долей секунды. В результате в районе шарниров скачком возрастают нагрузки, которые очень опасны при большой массе и габаритах изделия. Это естественный процесс, так как раскрытие панелей идет за счет энергии, запасенной в мощных пружинах. Но разработчики реального космического аппарата, которые будут пользоваться нашей программой, сами решат, хватит ли батарее запаса прочности, чтобы выдержать щелчок при раскрытии, или в шарнирах следует поставить дополнительные демпферы, усилить ребра жесткости, заменить пружины менее жесткими, принять какие-то другие меры предосторожности. Все это важно вычислить предельно точно, так как в космической технике, где идет постоянная борьба с весом, чрезмерный запас прочности — недопустимая роскошь. Думаю, что пользователи по достоинству оценят и то, что работоспособность найденного ими конструктивного решения, новые прочностные характеристики узлов они смогут тут же проверить на виртуальном стенде, то есть с помощью той же самой программы, не доводя дело до изготовления конструкции в металле. Только после этого, с учетом результатов всестороннего анализа, компьютерная программа обеспечит подготовку проектной документации на реальный испытательный стенд и оснастку. Разумеется, если, конечно, в натурной проверке будет необходимость.
Экономия при этом должна достигаться колоссальная. Но дело даже не в деньгах и выигранном времени (на космос денег, как правило, не жалеют). Дело в надежности техники, создаваемой с помощью компьютерного проектирования, и, соответственно, в ее безопасности, а также в престиже страны. Ведь, например, финансовые потери от предстоящей утраты российской автоматической межпланетной станции «Фобос-Грунт», которая терпит бедствие, как полагают, из-за сбоя в системах связи, на самом деле будут гораздо более значительными, чем прямой материальный ущерб разработчиков. Вместе со станцией на какое-то время упадет и доверие потенциальных покупателей к любой технике, не обязательно космической, поставляемой россиянами на мировой рынок.
Важно, что созданный белорусскими учеными виртуальный стенд может быть использован не только российскими инженерами—проектировщиками космических аппаратов, но и белорусскими конструкторами во многих отраслях промышленности. Компьютерную программу, максимально точно воспроизводящую поведение складных модулей, возьмут на вооружение создатели, например, подъемных кранов, различных телескопических и шарнирных устройств, трансформируемых архитектурных форм, многозвенных механизмов, а также любых трехмерных крупногабаритных конструкций. Во всяком случае, математики на это очень рассчитывают.
