Ingenieros de la NASA utilizaron Simcenter Femap para asegurar que Curiosity pudiera soportar los “Siete Minutos de Terror”

Producto: Femap, Simcenter
Industria: Aeroespacial y Defensa

Simcenter Femap ayuda a optimizar componentes y piezas para la misión de Curiosity a Marte, la más desafiante y exigente de la historia.

Enviar un paquete a Marte es una empresa compleja

La entrega de un laboratorio científico itinerante desde la Tierra hasta el planeta Marte requiere una planificación meticulosa y un rendimiento preciso. Sólo tienes una oportunidad de hacerlo bien: no hay margen de error. Ingenieros y científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el Instituto de Tecnología de California tuvieron que tomar decisiones cruciales miles de veces durante un calendario de desarrollo de productos de varios años para aterrizar con éxito el Mars Rover “Curiosity” en el suelo del cráter Gale el 6 de agosto de 2012.   Han estado haciendo ciencia de cohetes en JPL desde la década de 1930. En 1958, científicos de JPL lanzaron Explorer, el primer satélite estadounidense en orbitar la Tierra, seguido de muchas misiones exitosas no sólo cerca de la Tierra, sino también a otros planetas y las estrellas.

Los ingenieros de JPL utilizan un kit de herramientas de aplicaciones de software de ingeniería de Siemens Digital Industries Software para ayudarles a tomar decisiones altamente informadas. Un componente clave en este kit de herramientas es Simcenter™ Femap™ software, un programa de software de simulación de ingeniería avanzada que ayuda a crear modelos finitos de análisis de elementos (FEA) de productos y sistemas de ingeniería complejos y muestra los resultados de la solución. Usando Simcenter Femap, los ingenieros de JPL modelaron virtualmente los componentes, ensamblajes y sistemas de Curiosity, y simularon su rendimiento bajo una variedad de condiciones.

De 13.000 a 0 mph en siete minutos También conocido como el Laboratorio científico de Marte (MSL), este rover es masivo en comparación con los vehículos anteriores que la NASA ha aterrizado en el “Planeta Rojo”. En la configuración desplegada con el brazo extendido, el rover tiene 2,5 metros de ancho, 4,5 metros de largo y 2,1 metros de alto. Con un peso de casi una tonelada, el rover Curiosity es cinco veces la masa y el doble de la longitud de sus predecesores, lo que significaba que había que diseñar un procedimiento de aterrizaje completamente nuevo y mucho más suave. La NASA necesitaba ralentizar la nave espacial rover de una velocidad de 13.000 millas por hora (mph) a un punto muerto virtual para aterrizar suavemente el rover durante lo que la NASA llama “Siete Minutos de Terror”. Después de completar una serie de maniobras “S”, desplegando un enorme paracaídas, y luego con el uso sin precedentes de una “grúa celeste” especialmente diseñada, el MSL se estableció suavemente para no dañar los componentes funcionales y científicos de los laboratorios.

Estos componentes incluyen un brazo robótico de 2,1 m de largo, que se utiliza para recoger muestras en polvo de rocas, limpiar el suelo, las superficies de los cepillos y entregar muestras para instrumentos analíticos. Los instrumentos científicos de la torreta del brazo incluyen el Mars Hand Lens Imager (MAHLI) y el Espectrómetro de rayos X de partículas alfa (APXS). Otras herramientas de la torreta son componentes del subsistema de adquisición, procesamiento y manipulación de muestras (SA/SPaH) del rover: el sistema de perforación de adquisición de polvo (PADS), la herramienta de eliminación de polvo (DRT) y el dispositivo de recolección y manipulación para análisis de rocas marcianas interiores (CHIMRA).

Curiosity también heredó muchos elementos de diseño de los anteriores rovers de Marte “Spirit” y “Opportunity”, que llegaron a Marte en 2004. Esas características incluyen tracción a las seis ruedas, un sistema de suspensión rockero-bogie y cámaras montadas en un mástil para ayudar al equipo de la misión en la Tierra a seleccionar objetivos de exploración y rutas de conducción en Marte.

Prácticamente toda la nave espacial en sí y su carga útil fueron sometidas a análisis de simulación utilizando Simcenter Femap para el procesamiento previo y posterior. Las simulaciones realizadas antes de la producción de piezas y sistemas incluían estática lineal, cargas normales, pandeo, no lineal, vibración aleatoria y análisis transitorios. Miles de decisiones de diseño se tomaron utilizando información de simulaciones de Simcenter Femap.

Además de la naturaleza compleja de la propia misión, los ingenieros que desarrollaron Curiosity desde el diseño inicial hasta la entrega final de componentes a Cabo Cañaveral estaban trabajando contrarreloj. La ventana de tiempo ideal para enviar un paquete de la Tierra a Marte es un período de 2 a 3 semanas que ocurre aproximadamente cada 26 meses. Perder esa ventana habría fijado la misión de nuevo en más de dos años, por lo que los ingenieros de JPL necesitaban analizar piezas y componentes de forma rápida y eficiente para que pudieran ser fabricados.

El papel de Simcenter Femap

Simcenter Femap es el principal preprocesador y postprocesador de JPL para FEA. Para MSL, los ingenieros comenzaron a usar Simcenter Femap al principio de la etapa de diseño cuando estaban realizando estudios comerciales sobre varias configuraciones o diferentes maneras de abordar la misión. A medida que la configuración maduraba, utilizaron Simcenter Femap para ayudar a crear el modelo de elementos finitos maestros que se utilizó para ejecutar los distintos casos de carga.

La mayoría de los analistas estructurales de JPL utilizan Simcenter Femap para crear o ver los resultados de una ejecución de FEA. El software se utilizó tanto para el análisis lineal de alto nivel como para el análisis no lineal muy detallado. Estos son dos tipos de análisis muy diferentes que utilizan la misma pieza de software.

Ciertos trabajos eran simplemente demasiado grandes para una persona, y en algunos casos los ingenieros tenían que basarse en el trabajo de otras personas que previamente habían utilizado Simcenter Femap para construir modelos FEA. Simcenter Femap fue diseñado como un paquete muy fácil de usar, creado para analistas por analistas que son muy conscientes de lo que los ingenieros necesitan y cómo funcionan. Pueden recogerlo después de seis meses de no uso y volver a ser el máximo competente en muy poco tiempo.

Simcenter Femap fue fundamental en la realización de todo tipo de FEA en todos los aspectos del vehículo. Cada componente del vehículo tenía un modelo de nivel superior, tipo cargas, y estos modelos se unieron para crear el modelo completo de la nave espacial. Los ingenieros de JPL trabajaron a través de varios escenarios de “qué pasaría si”, incluyendo hasta 37 casos de carga diferentes para cómo se desplegaría el paracaídas durante el proceso de aterrizaje.

La misión Curiosity no es el único proyecto actual de JPL. Otras misiones incluyen satélites monitoreando las condiciones de la Tierra, telescopios, experimentos y otras naves espaciales.

Las misiones planeadas incluyen la misión InSight que colocará un lander en Marte en 2016 para perforar bajo la superficie e investigar el interior profundo del planeta para entender mejor la evolución de Marte. Incluso hay planes para una misión propuesta de Retorno de Muestras de Marte, que recogería muestras de la superficie de Marte y las devolvería a la Tierra.

Los ingenieros de JPL están utilizando y probablemente seguirán utilizando Simcenter Femap para ayudar a lograr estas y otras misiones de ingeniería, descubrimiento y ciencia.