Специалисты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) завершили разработку Автоматизированной системы виртуальных испытательных стендов (ВИС) для проектирования, испытаний и моделирования полётов малых космических аппаратов (МКА) на основе технологии цифровых двойников. 

• Автоматизированная система ВИС будет интегрирована в цифровую платформу разработки и применения цифровых двойников CML-Bench™.

В рамках НИОКР при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд содействия инновациям – ФСИ) разработано семейство ВИС и методических основ их рационального использования, позволяющих выполнить математическое и компьютерное моделирование предполетных испытаний МКА, оценить воздействие на спутник в процессе вывода на орбиту и дальнейшее функционирование в космическом пространстве.

Подробнее о проекте и перспективах применения ВИС при проектировании и разработке МКА рассказал инженер-исследователь отдела системного инжиниринга Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ Дмитрий Журавлев.

Как пояснил Дмитрий, стояла задача – разработать комплексную автоматизированную систему ВИС на базе технологии цифровых двойников для тестирования множества конфигураций цифровых прототипов МКА, сверхмалых космических аппаратов (СМКА), наноспутников для расчётного сопровождения проектирования, испытаний и моделирования различных сценариев орбитального полета с учетом внешних воздействующих факторов (ВВФ). К таким относятся перегрузки, микроускорения, вибрации, тепловое воздействие, радиация и другие.

Проект приобретает особую актуальность в свете быстрого развития рынка МКА. Согласно рыночному исследованию, проведенному BIS Research «Global Small Satellites Market, Analysis & Forecast, 2017-2021», среднегодовой темп роста рынка МКА составляет 31,9%. Основными факторами роста являются уменьшение массы и стоимости создаваемых спутников. Данные аппараты постоянно эволюционируют, становясь гибким инструментом для проведения научных, образовательных и технологических экспериментов в космическом пространстве.

• «Разработанные виртуальные испытательные стенды позволяют сократить материальные затраты при создании МКА различных конфигураций путём снижения числа натурных испытаний и сокращения числа прототипов и вероятных доработок при создании новых аппаратов, повысить надёжность и гарантированный эксплуатационный ресурс МКА за счёт моделирования широкого спектра видов нагружения (в том числе критических)», – отметил Дмитрий Журавлев.

Разработанная автоматизированная система виртуальных испытаний позволяет:

• в два и более раз сократить количество натурных испытаний при сохранении высокой точности моделирования (погрешность не более 5%); эффект достигается за счет использования методологии ВИС и набора валидированных компьютерных моделей, разработанных специально для задач проектирования МКА;
• сократить количество прототипов и доработок при создании новых продуктов за счет возможности достоверной оценки отклонений эксплуатационных характеристик изделий при кастомизации конструкции и системы управления МКА;
• снизить себестоимость разработки новых продуктов за счет сокращения цикла проектирования и рационального использования вычислительных ресурсов;
• использовать возможности по математическому и компьютерному моделированию типовых условий эксплуатации МКА;
• создавать конкурентоспособные высокотехнологичные изделия и продукты.

• «Результатами являются разработанные конструкторская и техническая документация, технологии изготовления и сборки СМКА, методики испытаний для стендов "Вибрационные испытания", "Ударные испытания", "Термовакуумные испытания", проведена верификация и валидация разработанных ВИС», – заключил эксперт. 

Он добавил, что основным преимуществом разработанного продукта является его способность с высокой точностью решать практические задачи в области разработки СМКА без необходимости привлечения высокоспециализированных и дорогостоящих материальных ресурсов (вибростенд, термовакуумная камера, прототипы изделий, суперкомпьютеры и специализированное ПО) для доводки СМКА до требуемых технических характеристик.

Дмитрий Журавлев также напомнил, что Центр компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» является лидером цифровой трансформации промышленности на основе цифровых двойников. Аэрокосмическая отрасль входит в число высокотехнологичных отраслей, в которых сосредоточены ключевые проекты и разработки Центра НТИ и Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ. Для аэрокосмической отрасли разработка и внедрение микро- и наноспутников относится к числу перспективных направлений техники и технологий.

Результаты проекта призваны сократить временной разрыв между разработкой и постановкой на производство МКА/СМКА, что вносит вклад в реализацию дорожной карты «Аэронет» НТИ. Также проект соответствует целевым показателям Дорожной карты «Технет» (передовые производственные технологии) НТИ.

• «О возможных масштабах применения виртуальных испытаний МКА можно судить по росту числа запусков наноспутников: в середине 2021 года на орбите было около полутора тысяч аппаратов из 74 стран мира, доля РФ при этом составляла всего 1,5%», – подчеркнул Дмитрий Журавлев.

Возрастает и количество запущенных спутников формата Cubesat. По прогнозу на ближайшие 6 лет будет запущено около 2500 новых СМКА. Объемы прогнозируемых разработок, испытаний и запусков СМКА увеличатся на 30-100%.

9 августа 2022 года ракета-носитель «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат», стартовавшая с Байконура, вывела на орбиту иранский спутник «Хайям» и 16 малых космических аппаратов, созданных ведущими вузами, коммерческими компаниями и некоммерческими организациями.

Среди них – два кубсата (сверхмалые искусственные спутники для исследования космоса) Polytech Universe-1, Polytech Universe-2, разработанных в СПбПУ в рамках образовательного проекта Space Pi. Запуск космических аппаратов состоялся при поддержке и непосредственном участии Госкорпорации «Роскосмос».

Проект Space Pi создан на основе программы «Дежурный по планете» Фонда содействия инновациям, в которой участвуют победители конкурса Российского движения школьников «Открытый космос». Проект реализован на отечественной платформе с использованием исключительно российского программного обеспечения.

СПбПУ и его структурные подразделения являются активными участниками проекта Space Pi. Так, в январе 2022 года представители Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ в сотрудничестве с Центром технологических проектов СПбПУ провели научно-образовательный интенсив и практикум «Введение в технологию разработки и применения цифровых двойников изделий (на примере цифрового двойника сверхмалого космического аппарата)». В нем приняли участие школьники разного уровня подготовки из образовательных учреждений Санкт-Петербурга, Казани, Самары и Новочебоксарска.

Выведенные в космос кубсаты будут использованы для изучения уровня электромагнитного излучения на поверхности Земли в различных частотных диапазонах. За одни сутки наноспутники выполнят 30 витков вокруг нашей планеты и зарегистрируют электромагнитное излучение на ее поверхности в диапазоне от 0,3 до 18 ГГц.

Всего в течение ближайших лет ГК «Роскосмос» планирует отправить на околоземную орбиту более 100 кубсатов.

Источник