Pokročilá analýza a návrh kosmických misí pomocí simulace
Než raketa odstartuje nebo než se satelit dostane na oběžnou dráhu Země (LEO). Než vozítko přistane na Měsíci nebo než se bezpilotní sonda vydá na cestu do vzdálených koutů naší sluneční soustavy. Ještě před začátkem těchto misí musí inženýři a výzkumníci, kteří za nimi stojí, provést analýzu a návrh kosmické mise Space Mission Analysis and Design (dále jen SMAD).
SMAD zahrnuje všechny prvky kosmické mise — od požadavků a parametrů mise přes návrh nosiče, použité technologie až po testování. Usiluje se především o splnění cílů mise a současně minimalizování nákladů a rizik. To je zásadní, protože kosmické mise jsou stále složitější, delší a dražší.
I malá kosmická mise může stát stovky milionů dolarů a trvat roky.
—Jim Wertz, prezident společnosti Microcosm Inc. a externí profesor astronautiky na University of Southern California
Aby ukázal důležitost SMAD pro úsporu nákladů, Jim Wertz uvádí příklad náhrady nefunkčního satelitu. Jedním z řešení je mít záložní satelit už na oběžné dráze. Pokud je však nefunkční satelit v jiné oběžné dráze než záložní, je nutné záložní satelit přeorientovat. Problém je, že změna rychlosti (delta-V), nutná pro přechod mezi drahami, vyžaduje velké množství paliva.
Přesun z rovníkové na polární dráhu vyžaduje víc rychlosti než samotný start na oběžnou dráhu.
—Jim Wertz
Místo toho je efektivnějšíponechat satelit na Zemi a mít možnost rychlého a flexibilního startu. SMAD pomáhá analyzovat takové situace ještě před tím, než se učiní rozhodnutí, které by mohlo stát miliony.
Výsledky simulace analyzující zorná pole senzorů
Výzvy v průběhu návrhu a analýzy mise
- Volba oběžné dráhy: Kdy a kam satelit vypustit, jak naplánovat konstelaci satelitů.
- Návrh nosiče: Odolnost vůči radiaci a tepelným extrémům ve vesmíru.
- Provoz ve vesmíru: Vyhýbání se kolizím pomocí dynamického sběru dat.
- Systémové inženýrství a návrhová referenční mise: Brát v potaz terén, počasí a jejich vzájemné interakce.
- Komunikační systémy: Zajištění spolehlivé komunikace mezi satelity i s pozemními stanicemi.
- Náklad: Musí být přizpůsobitelný různým misím a orientacím.
- Testování systému: Minimalizace fyzických testů, které jsou často extrémně nákladné nebo nemožné.
Jim Wertz dodává, že vládní instituce často provádějí vlastní návrhy misí, což omezuje prostor pro inovace ze soukromého sektoru.
Role simulačního softwaru v SMAD
Vzhledem k vysokým nákladům a dlouhé době realizace musí být návrh bezchybný hned napoprvé. Firmy proto intenzivně investují do analýzy a optimalizace návrhů — a právě zde vstupuje do hry simulace. Pomocí simulačních softwarů lze simulovat různé scénáře rychleji a bezpečněji než ve fyzickém prostředí.
Dnes více než kdy jindy spoléhám na simulace a modelování misí. Simulace zabere pár měsíců a výrazně snižuje náklady.
—Jim Wertz
Jim Woodburn, expert z Ansys, zmiňuje příklad určování umístění antény na družici. U LEO satelitu je to relativně jednoduché, ale pokud je satelit na cestě k Měsíci, může se jeho orientace často měnit kvůli slunečnímu záření nebo řízení teploty.
Pomocí simulačních softwarů Ansys lze modelovat všechny tyto podmínky a zjistit, kdy není možné navázat spojení se Zemí kvůli poloze antény.
—Jim Woodburn
Softwary Ansys navíc umožňují:
- Simulaci teplotních profilů na povrchu satelitu.
- Odhad množství slunečního záření dopadajícího na solární panely (tedy výkon).
- Analýzu možností rušení rádiového signálu.
Návrh rozsáhlých konstelací zahrnuje:
- Určení požadavků na misi a přínosu každého satelitu.
- Volbu vhodných technologií.
- Optimalizaci pokrytí a časování.
- Zvážení výšky, radiace a výdajů.
- Plánování vypuštění a minimalizaci kolizí.
- Plánování ukončení životnosti satelitů.
- Budování redundancí.
Simulace Ansys pomáhá inženýrům určit nejmenší možný počet satelitů pro splnění mise, zvolit optimální výšku a brát v potaz faktory jako latence, pokrytí, radiace (např. blízkost radiačních pásů Van Allena) a další.
Zkoumání tepelných aspektů vozidel ve vesmíru
Zajímá Vás problematika vesmíru? Zhlédněte náš webinář
Jak lze modelovat a simulovat letové trajektorie a satelitní systémy k zajištění optimálních drah a postupů?
Jak můžete analyzovat pokrytí a efektivitu komunikačních systémů a maximalizovat dosah a spolehlivost?...
Komercializace vesmíru a nové trendy
Komercializace vesmíru silně ovlivňuje SMAD. Například program NASA Artemis i soukromé lunární mise zvyšují zájem o lety k Měsíci a do tzv. cislunárního prostoru. Tyto mise často zahrnují složitější trajektorie a vyžadují pokročilé analytické nástroje pro efektivní využití gravitačních asistencí.
Mezi další trendy patří:
- Vzestup malých a levných satelitů.
- Nárůst významu autonomních technologií ve vesmíru.
- Vývoj ridesharingu (společné vynášení satelitů) pro snížení nákladů.
Myslím, že doba autonomních družic je už téměř tady.
—Jim Woodburn
Umělá inteligence, měření přímo ve vesmíru a výkonné palubní výpočetní systémy přinášejí menší závislost na pozemním řízení. Simulace a SMAD umožňují ověřit, zda jsou tyto technologie vhodné pro konkrétní misi. A co budoucí experti na SMAD? Jim Wertz radí dívat se na širší obraz a sledovat hlavní trendy, které formují dnešní vesmírný průmysl.
