NASA, roketlerin sarsıntı ve titreşim analizini yeni bir modelleme iş akışıyla hızlandırdı

Roketler uzaya tırmanırken şiddetle titrer, sarsılır ve esner; hassas bilimsel aletlerle dolu uzay araçları da bu kuvvetlere dayanmak zorundadır. Hiçbir roket yerden ayrılmadan önce NASA mühendisleri, bu zorlanmaların bir uzay aracının her parçasını nasıl etkileyeceğini öngörmeye çalışır.

Bunun için NASA'nın Florida'daki Kennedy Uzay Merkezi'nde bulunan Fırlatma Hizmetleri Programı Ofisi'nin Dinamik Ortamlar Grubu'ndaki mühendisler, uzay araçlarının ve roketlerin sert titreşime, sarsıntıya, gerilime ya da diğer fiziksel kuvvetlere dayanabildiğinden emin olma yöntemlerini sadeleştirdi ve bu süreçte görev güvenliğini güçlendirdi.

Ticari bir dijital yazılım aracını yeni bir biçimde kullanan mühendisler, sarsıntı ve titreşim analizini güçlendirmek ve donanımın fırlatma ile yükselişin aşırı ortamlarına hazır olmasını sağlamak için sonlu eleman modellemesine yönelik standart bir modelleme iş akışı geliştirdi.

Kennedy'deki Fırlatma Hizmetleri Programı Ofisi'nin Uçuş Analizi Bölümü şefi Brian Beaver, "Bu bilgisayar tabanlı yöntem, roketlerin ve uzay araçlarının aşırı koşullar altında nasıl davranacağını donanım üretilmeden önce öngörmeye yardımcı oluyor; zayıf noktaları ve olası arıza risklerini erkenden belirleyerek ekibin bulgulara göre önlem alabilmesini sağlıyor" dedi.

Ekip yazılımı kısa süre önce ilk kez, bir NASA görevi için seçilen ticari bir fırlatma sağlayıcısının roketini sertifikalandırırken kullandı. Ticari ortak titreşim testi sağlamıştı ama sarsıntı testi sağlamamıştı. Dinamik Ortamlar Grubu sarsıntı testinin gerekli olduğuna karar verdi ve grubun oluşturduğu bir şablonla "ya şöyle olursa" karşılaştırmaları yaptı, yapının davranışını görselleştirdi ve geçmişte kapsamlı elle modelleme gerektirecek karmaşık soruları yanıtladı. Ekip, şirketin uçuş ortamlarına ilişkin test sonuçlarını doğruladı; analiz ayrıca taşıma sırasındaki sarsıntıya dair yeni bilgiler ortaya koydu.

Kennedy'deki Fırlatma Hizmetleri Programı Ofisi'nde havacılık ve uzay mühendisi olan Alex Hardt, "On yıllardır var olan bir aracı kullanıyoruz, ama bu araç dinamik ortamlar disiplinlerinde normalde kullanılmıyor" dedi. "Ama biz bunu değiştiriyoruz. Onu dinamiğin görece yeni bir alanında kullanıyoruz."

Roketler ve uzay araçları sarsıntıları ve titreşimleri sönümleyecek biçimde tasarlansa da bu kuvvetler, özellikle fırlatma ve yükseliş sırasında aşınma ve yıpranmaya, hatta uçuş arızalarına yol açabilir.

Hardt, "Rastgele titreşim düzeylerinin ve sarsıntı düzeylerinin ne kadar şiddetli olduğunu biz tanımlıyoruz; ardından gelecekteki roketlere konacak bütün parçaların bu düzeylerde test edildiğini doğrulayarak ömürlerini en üst düzeye çıkarıyoruz" dedi.

Yazılımla kazanılan zaman

Mühendisler on yıllar boyunca sarsıntı ve titreşim ortamlarını, birleştirilip uçurulduğunda her roket bileşeninin ya da uzay aracı donanımının nasıl etkileneceğini tahmin etmek için pratik kurallarla ya da önceki verileri ölçekleyerek kestirdi. Bu yaklaşım işe yarıyordu, ancak büyük ölçüde mühendislik muhakemesine ve geçmiş görevlerden çıkarılan basit yaklaşıklıklara dayanıyordu.

Dinamik ortamlar mühendislerinin çoğu sonlu eleman modelleme araçlarını seyrek kullandığından, karmaşık iş akışlarını çoğu zaman yeniden öğrenmeleri gerekiyor. Yazılım eski araçların yerini alıyor ve mühendislere titreşim profilleri ile sarsıntı koşulları boyunca daha hızlı ve daha eksiksiz yol gösteren standart bir şablon sunuyor.

Sonlu eleman analizi, karmaşık bir yapıyı daha küçük bileşenlere bölerek bilgisayarların bir uzay aracının ya da roketin belirli kuvvetlere veya fırlatma ortamlarına nasıl tepki verebileceğini doğru biçimde öngörmesini sağlayan güçlü bir benzetim tekniğidir. Bu önemlidir, çünkü sorunlar yerde giderilebilir; roket fırlatma rampasından ayrıldıktan sonra sorunların çoğu onarılamaz ya da düzeltilemez, bu da erken tespiti zorunlu kılar.

Hardt, "Bunu kullanarak bir sağlayıcının sistemini doğrulama konusunda çok hızlı biçimde gerçekten değerli bilgiler edindik" dedi. "Normalde çok emek isteyen bir konuda şimdiden gerçekten derinlemesine bir kavrayış sağladı."

Hardt'a göre sezgiye aykırı dinamik problemlerini sonlu eleman modelleriyle görselleştirebilmek, yazılımın öğrenme, verimlilik ve NASA'nın insan odaklı kültürüyle uyum üzerindeki değerli etkisini de öne çıkarıyor. İş akışı, mühendislerin bilgi paylaşmasına, değerlendirmelerini ek uçuş verileriyle iyileştirmesine ve modelleme araçlarındaki yetkinliklerini artırmasına yardımcı olabilir. Bu yetenek, ekibin analiz raporu ya da veri talep edip beklemek zorunda kalmadan analizleri bağımsız yürütmesini sağlayarak ve daha önce dikkate alınmamış riskleri belirlemesine yardım ederek şimdiden aylar kazandırdı.

NASA'nın Fırlatma Hizmetleri Programı Ofisi, hava durumu uydularından uzay teleskoplarına ve Mars gezginlerine kadar Dünya'yı gözlemleyen, başka gezegenleri ziyaret eden ve evreni keşfeden uzay araçlarını taşıyan roketlerin fırlatılmasından sorumludur. Ekip, ajansa her görev için uygulanabilir en yüksek başarı şansını sağlamak amacıyla bunun gibi yeni araçları sürekli olarak benimsiyor.