На пути к Марсу

Марк Кларксон

Как инженеры JPL создавали и испытывали новейший марсоход

Марк Кларксон (Mark Clarkson), редактор журнала “Desktop Engineering”, специализируется на визуализации, компьютерной анимации и графике, автор книги “Элементы Photoshop на примерах”. Связаться с автором можно по электронному адресу Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

Художественный рендеринг маневров “небесного крана”, призванного мягко опустить марсоход на поверхность планеты (изображение предоставлено NASA/JPL – Caltech)

Недавняя неудача российской программы “Фобос-Грунт” еще раз показала, насколько трудно добраться до Марса. У НАСА тоже лишь 65% полетов к Марсу были успешными. И причина заключается не только в устройстве самих аппаратов. Конечно, марсоход – это фантастически сложная машина с огромным количеством бортовых компьютеров, приборов и датчиков, но ведь Кадиллак CTS-V или Боинг-777 устроены не менее сложно. Дело в том, что марсоход сталкивается с совершенно уникальными трудностями.

Большинство производителей имеет возможность заменить вышедшую из строя деталь. Можно отозвать партию изделий, или просто выдать рекомендацию о замене масляного фильтра вашего автомобиля в рамках планового техобслуживания.

“Для нас это – непозволительная роскошь”, – отмечает Билл Аллен, инженер-конструктор Лаборатории реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory – JPL) в г. Пасадена (Калифорния, США). – “У нас нет второго шанса, нет возможности собрать изделие заново, провести техобслуживание или внести изменения в конструкцию. У нас только одна попытка – и, как правило, нам приходится делать то, что мы никогда раньше не делали. Мы стараемся применять существующие средства и процессы для создания уникальной конструкции”.

На другой планете
Уникальные конструкции будут работать в не менее уникальных по сложности условиях. Разумеется, между температурой в Осло зимой и в Финиксе летом есть некоторая разница, но она ничтожна по сравнению с условиями в космосе.

“Когда вы проектируете изделие для работы на Земле, вам просто не приходится иметь дело с такими диапазонами динамических и тепловых нагрузок, которые испытывает аппарат, покидающий нашу планету и опускающийся на поверхность другой”, – рассказывает Арт Авила из JPL.– “Мы должны сбалансировать риски, стоимость, объем [и массу] в совершенно ином пространстве поиска, нежели чем при проектировании автомобиля или самолета”. В качестве примера рассмотрим миссию Марсианская научная лаборатория (Mars Science Laboratory – MSL), в рамках которой на Марс отправится новейший марсоход НАСА, который должен достичь красной планеты в августе 2012 года.

“Семейный портрет” созданных в JPL марсоходов: Opportunity/Spirit (две миссии Mars Exploration Rover стартовали в июне и в июле 2003 г.); малый марсоход Sojourner (Mars Pathfinder), запущенный в декабре 1996 г.; справа – новый Curiosity (MSL)

Трехмерная CAD-модель марсохода в режиме перемещения по грунту. Различные системы аппарата выделены цветом

Арт Авила, проработавший в JPL целых 27 лет, был руководителем группы по работе MSL в условиях высоких и низких температур. Участники группы создали систему терморегуляции марсохода, которая поддерживает температуру всех узлов аппарата в допустимых диапазонах на всех стадиях экспедиции.

“Подготовительные операции следовало отработать здесь, на мысе Канаверал”, – рассказывает г-н Авила.– “На взлете аппарат подвергается самым разным воздействиям: нагрев свободными молекулами, падение барометрического давления, резкие либо плавные изменения температуры. Затем, разумеется, путь до Марса – в открытом космосе”.

И самая сложная часть экспедиции еще впереди.

Вход в атмосферу, спуск, посадка
Аппарат MSL проведет восемь с половиной месяцев в глубоком вакууме, проносясь сквозь ледяную пустоту открытого космоса. В этих условиях главной проблемой становится сохранение тепла. А затем MSL войдет в марсианскую атмосферу. Испаряющийся При этом теплозащитный экран с абляционным покрытием будет нагреваться до температуры свыше 1500°С, а перегрузки и вибрации даже превысят те, что воздействуют на него при запуске.

Когда десантный комплекс затормозит примерно до двукратной скорости звука, выпускается парашют, а лобовой теплозащитный экран отстреливается. В результате марсоход и посадочный модуль окажутся во власти ледяных ветров в верхних слоях атмосферы Марса, состоящей из двуокиси углерода (CO2). Прошедший сквозь пылающее пекло аппарат будет охлаждаться конвекционными потоками, спускаясь на парашюте.

Затем оболочка (хвостовой обтекатель) и парашют также отстреливаются, и включаются двигатели посадочной ступени. Марсоход MSL слишком тяжел для того, чтобы его можно было сбросить на пневматической подушке, как это делалось с аппаратами серии миссии Mars Exploration, поэтому его спускают с посадочной ступени на сложной системе тросов (“небесный кран”). Когда он касается грунта, тросы отделяются, а посадочная ступень уходит в сторону и разбивается, оставив на поверхности Марса готовый к работе марсоход.

CAD-модель MSL (сверху вниз):
1 – перелетная ступень (Ø4.5 м, высота 0.9 м) с солнечной батареей и восемью ЖРД тягой 1.1 кгс;
2 – хвостовой обтекатель десантного комплекса;
3 – посадочный модуль;
4 – марсоход;
5 – лобовой теплозащитный экран десантного комплекса

Только подумайте: прошло менее 20-ти минут с момента начала свободного падения аппарата на планету из вакуума открытого космоса. Забудем на миг про невероятную сложность выполняющих эту фазу полета механизмов и представим, в сколь различных условиях марсоход оказывается за столь короткое время: вакуум, рост давления, ветер, вибрации, ударные волны, перегрузки, испепеляющий жар и убийственный холод – это просто невероятно! “Это интересное сочетание абсолютно разных условий”, – говорит г-н Авила.– “Оно не только порождает сложные конструкторские задачи, но и предъявляет очень высокие требования к проверке и валидации характеристик конструкции”.
Проверка модели
Чтобы убедиться в правильности принятых проектных решений и тщательно протестировать все узлы, марсоход сбрасывали с подъемных кранов, трясли на вибростендах, помещали в вакуум и раскаляли под лучами искусственного солнца.

Проверка работы на этапе полета в дальнем космосе выполняется в вакуумной камере, охлажденной до -180°С. Условия марсианской поверхности воссоздать столь же точно невозможно: сила тяжести на Марсе составляет 38% от земной. Полностью это воспроизвести нельзя, но лаборатория JPL сделала всё, что могла. Марсоход помещали в большую камеру, содержащую CO2 под давлением в 8 торр (то есть, 8 мм.рт.ст.). Холодный пол и стены имитируют марсианские поверхность и небо, в котором вместо Солнца сияет искусственный источник света.

Под тщательным контролем марсоход MSL проходит температурные испытания. В герметичной камере имитируется марсианская атмосфера, солнечное излучение, ледяной холод поверхности и неба Марса

“Мы подвергли аппарат ряду тщательно контролируемых испытаний”, – рассказывает Арт Авила. – “Мы создали требуемые температуру, давление и уровень солнечного излучения при помощи нашего искусственного солнца. У марсохода имеются собственные бортовые датчики, к которым мы добавили еще несколько сотен датчиков температуры, чтобы получить более подробные сведения, необходимые для понимания поведения систем в испытательной камере”.

Результаты натурных испытаний тщательно фиксируются и на их основе вносятся изменения в компьютерные модели марсохода, созданные средствами системы NX от Siemens PLM Software.

“Как только мы добиваемся хорошего соответствия с нашими математическими моделями, мы получаем полную уверенность в том, что сможем имитировать те условия, которые отсутствуют на Земле. Мы выполняем соответствующие корректировки и получаем пригодную для теплового расчета модель”, – говорит г-н Авила.

“Мы очень рады тому, что внесли свой вклад, обеспечив JPL такими средствами для работы над проектом марсохода, как CAD/CAM/CAE-пакет NX и система Teamcenter”, – заявил Джон Хейдорн, вице-президент компании Siemens PLM Software по маркетингу (Северная и Южная Америки).– “Система NX успешно помогает JPL в создании геометрии и генерации тепловой модели, а Teamcenter эффективно фиксирует проектные данные и управляет ими. Это обеспечивает гораздо более быструю передачу новых конструктивных решений в среду CAE, где модели обновляются и быстро рассчитываются”.

Компьютерные модели постоянно уточняются по мере того, как проект развивается от замысла до проверки и испытаний и, наконец, до самого запуска. Так, прямо сейчас эти модели применяются для управления полетом. Кроме того, они послужат источником ценных, добытых с большим трудом знаний, которые пригодятся при подготовке следующих экспедиций.

Итак, куда же я подевал этот ускоритель?
“В ходе всей работы по программе исследований Марса, начиная с подготовки полета Mars Pathfinder в середине 90-х годов, мы ориентировались на определенные технологии и подходы к проектированию –отрабатывали их, а затем переносили на следующий полет”, – рассказывает г-н Авила.

“Проблема состояла в том, что на протяжении почти всего этого времени у нас использовался очень широкий набор средств 3D-моделирования и управления данными – в основном, эти данные хранились в личных архивах [сотрудников]”, – продолжает он.– “Нам нужно было покончить с такой ситуацией и перейти в рабочую среду, которая сохранит свою ценность и в будущем”.

Поскольку ряд проектов его группы очень сильно зависит от данных, создаваемых на предыдущих и последующих этапах разработки, то, по словам Арта Авилы, “стало очевидно, что нам нужно очень тщательно подходить к вопросам передачи информации, её преобразования и управления исполнениями изделий. Ошибки возникают, когда люди пытаются влезать в такую систему с карандашом и бумагой в руках. Благодаря полностью интегрированной архитектуре и большому числу интерфейсов между программными системами, нам удается лучше контролировать получение и отправку данных – и, будем надеяться, это уменьшит число возгласов “Черт возьми!”

“В рамках сегодняшнего подхода JPL к 3D-моделированию нам удается фиксировать все данные по проекту MSL”, – поясняет он. – “В будущих разработках мы сможем применить массу готовых решений и конструктивных находок: стартовый ускоритель или конкретную теплоотражательную систему. Теперь вся информация хранятся в управляемой базе данных, и именно это действительно помогает повысить эффективность, упрощает управление исполнениями изделий и способствует фиксации знаний”.

Полная централизация достигнута?
Итак, всё программное обеспечение в JPL уже полностью и без “швов” интегрировано? “Хотел бы я ответить “да”, – улыбается Билл Аллен.– “Централизация информации – это наша цель, но это всегда непросто. Мы достигли достаточного высокой степени централизации, особенно в плане проектирования механических узлов”.

Что касается программных средств Siemens, то сейчас лаборатория JPL переходит с системы Teamcenter Enterprise на Teamcenter Unified Architecture, которая будет применяться для управления всеми данными проектирования.

Тем не менее, в организации имеются отдельные зоны, где по каким-либо причинам используются другие средства”, – поясняет г-н Аллен.– “Скажем, для решения какой-то особой задачи требуется специализированный программный инструмент. И эта ситуация динамична: то, что было наилучшим решением вчера, сегодня уже может не являться таковым”.

К счастью, JPL хорошо справляется с происходящими переменами.


Источник.