Estudo de Caso: O uso do Femap ajuda a NASA a desenvolver o telescópio espacial de próxima geração

Simulando o desempenho dos componentes do Telescópio Espacial James Webb

Desafios

Projetar um telescópio espacial de próxima geração
Sistemas de coordenadas fornecidos por várias fontes
Operar em temperaturas próximas ao zero absoluto

Resultados

Padronizar no Femap encurta a curva de aprendizado
A visualização identifica falhas potenciais em componentes
Encontrar e corrigir problemas potenciais muito antes do telescópio ser lançado

Centro de voo espacial Goddard da NASA

O NASA Goddard Space Flight Center é o lar da maior organização dos Estados Unidos de cientistas, engenheiros e tecnólogos combinados que constroem espaçonaves, instrumentos e novas tecnologias para estudar a Terra, o sol, nosso sistema solar e o universo. Nomeado em homenagem ao pioneiro americano em foguetes Dr. Robert H. Goddard, o centro foi estabelecido em 1959 como o primeiro complexo de voo espacial da NASA. Goddard e suas diversas instalações são essenciais para a realização das missões de exploração espacial e descoberta científica da NASA.

Construindo uma máquina do tempo

O uso do software Femap™ da Siemens PLM Software está ajudando a NASA a desenvolver uma máquina do tempo. Programado para ser lançado em 2018, o Observatório do Telescópio Espacial James Webb (JWST) operará 1,5 milhão de quilômetros acima da Terra. Sua missão é ambiciosa: examinar cada fase da história cósmica "dos primeiros brilhos luminosos após o Big Bang à formação de galáxias, estrelas e planetas à evolução do nosso próprio sistema solar", de acordo com o site do JWST. O telescópio olhará anos-luz para o passado.

Considerado a próxima geração – não a substituição – do Telescópio Espacial Hubble, o JWST é um telescópio infravermelho que permite a visualização de objetos mais distantes e altamente deslocados para o vermelho. O Hubble é usado para estudar o universo em comprimentos de onda ópticos e ultravioleta. O JWST também será maior que o Hubble, que tem aproximadamente o tamanho de um grande caminhão trator-reboque. Com 22 por 12 metros, o JWST será quase tão grande quanto um Boeing 737.

Totalmente implantado, o JWST contará com um espelho refletor com sete vezes mais área de coleta do que o Hubble. O telescópio será lançado ao espaço no topo de um foguete Ariane 5 da plataforma de lançamento da Agência Espacial Europeia (ESA) na Guiana Francesa.

O JWST terá um lado quente e um lado frio, com o lado quente consistindo da nave espacial observatório, que gerencia o apontamento e a comunicação, e um escudo que bloqueia o calor e a radiação do sol, da Terra e da lua. O lado frio do JWST, operando em temperaturas próximas do zero absoluto, é onde a ciência acontecerá.

Quatro instrumentos principais estarão em operação, incluindo a câmera de infravermelho próximo ou NIRCam, fornecida pela Universidade do Arizona. Outros instrumentos principais incluem o espectrógrafo de infravermelho próximo (NIRSpec), fornecido pela ESA, com instrumentação adicional fornecida pelo Goddard Space Flight Center (GSFC) da NASA; o instrumento de infravermelho médio ou MIRI, fornecido em conjunto pela ESA e pelo Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA e o sensor de orientação fina/gerador de imagens de infravermelho próximo e espectrógrafo sem fenda, fornecidos pela Agência Espacial Canadense.

No total, há mais de 1.000 pessoas em 17 países diferentes trabalhando no JWST, incluindo parceiros acadêmicos e industriais como ATK, Ball Aerospace, ITT, Lockheed Martin, Northrop Grumman (o contratante principal) e o Space Telescope Science Institute.

Análise de elementos finitos do telescópio espacial James Webb

Vários aplicativos de análise alimentam o Femap

Projetar, testar, construir e montar o JWST é um esforço de equipe, ocorrendo em três continentes. Os instrumentos agora em desenvolvimento estão sendo testados usando uma variedade de solucionadores de engenharia auxiliada por computador (CAE) para análise modal, térmica, de distorção térmica e estrutural. Colando todo esse trabalho de análise e simulação está o Femap, o aplicativo padrão da equipe do JWST para pré e pós-processamento.

“Usamos o Femap como pré e pós-processador”, diz Emmanuel Cofie, que lidera a análise de distorção térmica no ISIM (modelo de instrumento estrutural integrado). “A equipe de design mecânico nos fornece arquivos CAD e usamos o Femap para gerar malhas para nosso modelo matemático e, após a análise de elementos finitos, para extrair resultados e visualizar a condição e o estado da estrutura sob as várias condições de carga. É a principal ferramenta que usamos para visualização da estrutura em seus estados operacionais/de lançamento antes dos testes ambientais reais.”

Como haverá apenas uma oportunidade para o JWST ter sucesso, cada parte e montagem de cada sistema precisa ser completamente testada na Terra para garantir que todos os instrumentos funcionarão perfeitamente sob as condições esperadas. Simular o desempenho do JWST na Terra é a única maneira de determinar se o observatório funcionará quando estiver no lugar. É um trabalho personalizado e único.

Usando solucionadores CAE em conjunto com o Femap, os engenheiros da NASA conduzem simulações para garantir que cada parte não interfira com a outra e que as peças e montagens tenham resistência suficiente e possam suportar calor ou frio extremos e vibrações experimentadas durante o lançamento e condições normais de operação. "O Femap é uma ferramenta muito útil que é ao mesmo tempo muito acessível e também fornece alto valor", diz Mark McGinnis, líder do grupo de trabalho de distorção térmica na Goddard. "Ele nos permite realizar nossa missão de analisar o desempenho estrutural e térmico de peças e sistemas. O Femap é fácil de aprender e usar, e funciona bem com qualquer solucionador." Ele estima que o software seja usado frequentemente por pelo menos 75 engenheiros da NASA na Goddard.

“Por exemplo, importaremos um modelo de submontagem de plano traseiro de um contratante e o preencheremos com 18 espelhos para visualizar como eles se juntam”, diz McGinnis, “Precisamos ter certeza de que as grades de interface são coincidentes como deveriam ser, e então usá-lo para construir as mais de 8 milhões de grades necessárias, o que cria um modelo muito grande do ponto de vista da computação. Montamos o modelo usando Femap.”

A maioria dos engenheiros que trabalham no JWST usaram o Femap desde meados da década de 1990. Cofie lembra de usar o Femap durante o desenvolvimento do Hubble. “Nós o usamos muito naquela época e continuamos a usá-lo”, diz ele. “O Femap nos ajuda a entender as condições de carga para que possamos pegar uma estrutura, executar a análise e ver o que esquenta e o que esfria. Ele nos ajuda a visualizar se um modelo é viável ou não.”

McGinnis concorda que a visibilidade que o Femap fornece no pós-processamento é uma vantagem fundamental. “Um engenheiro pode entender facilmente os resultados matemáticos de uma análise conduzida com um solver”, ele diz. “Mas visualizar os resultados da análise usando o Femap é um benefício importante, mostrando exatamente o que está acontecendo.”

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