I razzi vibrano, vibrano e tremano violentemente mentre salgono nello spazio, e i veicoli spaziali carichi di strumenti scientifici critici devono sopravvivere a quella forza. Prima del decollo di qualsiasi razzo, gli ingegneri della NASA lavorano per prevedere come tali sollecitazioni influenzeranno ogni parte del veicolo spaziale.
Per fare ciò, gli ingegneri del Dynamic Environments Group con il Launch Services Program Office della NASA presso il Kennedy Space Center in Florida hanno escogitato un modo per garantire che veicoli spaziali e razzi possano resistere a forti vibrazioni, urti, pressione o altre forze fisiche, rafforzando la sicurezza dell’attrezzatura nel processo.
Utilizzando un innovativo strumento software digitale, gli ingegneri hanno sviluppato un flusso di lavoro standardizzato di modellazione degli elementi finiti per semplificare l’analisi di urti e vibrazioni e garantire che l’hardware sia ottimizzato per condizioni estreme di lancio e salita.
“Questo approccio basato su computer aiuta a prevedere come si comporteranno i razzi e i veicoli spaziali in condizioni estreme prima che l’hardware venga costruito e aiuta a identificare tempestivamente i punti deboli e i potenziali rischi di guasto in modo che il team possa affrontarne le conseguenze”, ha affermato Brian Beaver, capo della Divisione Analisi di volo e Ufficio del programma di servizi di lancio presso la NASA Kennedy.
Il team ha recentemente utilizzato il software per la prima volta durante la convalida del razzo di un fornitore di lanci commerciali selezionato per una missione della NASA. Il nostro partner commerciale ha fornito test sulle vibrazioni ma non test sugli urti. Il team Dynamic Environments ha deciso che era necessario un test d’urto e ha utilizzato un modello creato dal team per eseguire confronti, visualizzare il comportamento strutturale e rispondere a domande complesse che in passato avrebbero richiesto un’ampia modellazione manuale. Il team ha verificato i risultati dei test condotti dall’azienda sulle superfici dell’aereo e l’analisi ha fornito nuove informazioni relative agli urti durante il trasporto.
“Stiamo utilizzando uno strumento che esiste da decenni, ma è usato raramente nelle missioni spaziali dinamiche”, ha affermato Alex Hardt, ingegnere spaziale del Launch Services Program Office della NASA Kennedy. “Ma lo stiamo cambiando. Lo stiamo usando in una nuova dinamica.”
Sebbene i razzi e i veicoli spaziali siano progettati per assorbire urti e vibrazioni, tali forze possono causare usura o guasti al velivolo, soprattutto durante il lancio e l’ascesa.
“Stiamo definendo quali livelli di vibrazioni casuali e livelli di shock sono critici, e poi assicurandoci che tutti i componenti che verranno utilizzati nei futuri razzi siano testati a quei livelli, estendendone la durata”, ha detto Hardt.
Per decenni, gli ingegneri hanno stimato le proprietà di shock e vibrazione utilizzando regole empiriche o misurando dati passati per stimare come ogni componente del razzo o del veicolo spaziale verrebbe influenzato una volta assemblato e fatto volare. Il metodo ha funzionato, ma si basava in gran parte sul giudizio ingegneristico e su semplici misurazioni prese da progetti precedenti.
Poiché molti ingegneri dinamici utilizzano frequentemente strumenti di modellazione a elementi finiti, spesso hanno bisogno di riapprendere flussi di lavoro complessi. Il software sostituisce gli strumenti più vecchi e fornisce un modello standard che guida gli ingegneri in modo rapido e preciso attraverso i profili di vibrazione e le condizioni di shock.
L’analisi degli elementi finiti è una potente tecnica di simulazione che scompone una struttura complessa in parti più piccole in modo che i computer possano prevedere con precisione come un veicolo spaziale o un razzo risponderebbe a forze specifiche o posizioni di lancio. Questo è importante perché le questioni possono essere discusse sul campo; una volta che il razzo lascia la rampa di lancio, molti problemi non possono essere risolti o riparati, rendendo essenziale il rilevamento tempestivo.
“Lo abbiamo utilizzato per ottenere informazioni preziose molto rapidamente nella convalida del piano di un fornitore”, ha affermato Hardt. “Ha già dato una comprensione più profonda di qualcosa che di solito richiede molto impegno.”
Hardt afferma che la capacità di visualizzare problemi dinamici imprecisi utilizzando modelli a elementi finiti evidenzia anche l’impatto critico del software sull’apprendimento, sull’efficienza e sulla compatibilità con la cultura incentrata sull’uomo della NASA. I flussi di lavoro possono aiutare gli ingegneri a condividere informazioni, migliorare i test con dati di volo aggiuntivi e aumentare le competenze con gli strumenti di modellazione. Questa funzionalità ha già consentito di risparmiare mesi consentendo al team di condurre analisi in modo indipendente senza dover richiedere e attendere report o dati di analisi e aiutandoli a identificare i rischi che non erano stati precedentemente considerati.
L’ufficio Launch Services Program della NASA è responsabile del lancio di razzi che trasportano veicoli spaziali che osservano la Terra, visitano altri pianeti ed esplorano lo spazio, dai satelliti meteorologici alla televisione spaziale fino ai rover su Marte. Il team adotta sempre nuovi strumenti come questi per offrire all’agenzia le migliori possibilità di successo per ogni missione.