Давление на инженеров-конструкторов американского аэрокосмического гиганта было огромным, и им требовался новый подход к разработке продуктов. Хотя традиционный подход — проектирование, строительство, тестирование и повторение — принес им много успехов, времена изменились. Компании требовалась цифровая трансформация, чтобы соответствовать новым условиям — продукты должны выходить на рынок быстрее. На этом фоне команда инженеров использовала новое решение на основе имитационного подхода: моделирование, анализ, затем производство.
Одним из важных элементов этого нового подхода стал цифровой инжиниринг миссий, инициированный Ansys Government Initiatives (AGI). Цифровой инжиниринг миссий — это использование цифрового моделирования для учета эксплуатационной среды, оценки результатов и эффективности миссии на каждом этапе жизненного цикла. Другими словами, вы создаете свой продукт в цифровой модели в условиях, в которых он должен работать, и оцениваете, насколько хорошо он будет работать.
Выполнение миссии
Как цифровой инжиниринг миссий помог проекту? Команда должна была оптимизировать систему бортовой воздушной связи для использования различными военными подразделениями. Система состояла из радиопередатчиков и антенн — некоторые из них были под крыльями, другие на фюзеляже — а также из каналов передачи данных и голоса.
Задач было много, начиная с миллионов комбинаций каналов, которые нужно было смоделировать. Анализ был затруднен из-за необходимости учета
таких факторов окружающей среды, как взаимное влияние излучателя и антенны приемника в локальном пространстве. Кроме того, используемый диапазон волн достаточно загружен.
Применяя цифровой инжиниринг миссий, команда смоделировала систему бортовой воздушной связи, прорабатывая различные сценарии воздействия внешней среды. Данные моделирования были проанализированы, чтобы понять влияние радиопомех на систему, эффективно выделить нужные каналы, а также определить оптимальное расположение и конфигурацию антенн. Поскольку испытания были виртуальными, циклы корректировки и повторной оценки требовали лишь новых цифровых данных, а не создания новых физических прототипов.
В результате инженеры вдвое сократили время разработки. Давайте рассмотрим подробнее, как они это сделали.
Процесс начался с создания модели миссии в Ansys Systems Tool Kit (STK), которая представляет собой операционную среду системы воздушной связи — что ей нужно было делать, а также где и когда. Это позволило оценить структуру системы и понять, как реальные факторы могут на неё повлиять и почему, уже в начале исследования.
Следующим шагом стала интеграция программного обеспечения Ansys 3D High Frequency Simulation Software (HFSS) в STK, чтобы определить баланс линии связи, который оценивает общую передаточную мощность в радиосистеме, включая потери. Теперь команда могла использовать свой арсенал средств моделирования для оптимизации структуры системы связи, получая полное представление о том, как изменение параметров влияет на успех миссии, всего за несколько кликов. Вот некоторые из методов, которые они применяли:
- Импорт файлов геометрии самолетов, которые будут использовать систему воздушной связи, в HFSS для создания номинальных моделей антенн, понимания их электромагнитных характеристик и выбора правильных мест расположения и формы.
- Экспорт данных из HFSS в Ansys Emit, который определяет помехи в системе, состоящей из нескольких одновременно работающих передатчиков. Результаты этого расчёта показали, какие каналы могут оказывать разрушительное воздействие на авионику или другие системы.
- Снижение взаимных радиопомех с помощью фильтрации и использования частотного планирования для перераспределения каналов, а также предложение соответствующих изменений в модель в HFSS.
- Импорт модели антенны и «чистых» каналов в STK, что позволило инженерам визуализировать влияние всех компонентов на канал связи при моделировании различных маневров и маршрутов.
Пример цифрового инжиниринга миссий в аэрокосмической отрасли. Ansys STK позволяет разработать миссию и космический аппарат и, одновременно, определить требования к полезной нагрузке, связи и наземному оборудованию.
Быстрее, умнее, лучше
Благодаря цифровому инжинирингу миссий инженерная команда смогла быстро оценить производительность системы воздушной связи и выявить новые требования без физических испытаний. Быстрые итерации моделирования и анализа значительно сократили сроки реализации проекта и позволили команде быстрее представить первую сборку, которая была ближе к готовности к производству, чем это возможно при использовании устаревших подходов. В мире, где время вывода на рынок является важным фактором, цифровой инжиниринг миссий обеспечивает непревзойденное преимущество.
Понимание миссии
Одна из самых сложных задач заключается в том, чтобы ответить на простой вопрос, который, кажется, мы знаем, но не задумываемся над ним: что мы имеем в виду, когда говорим о «миссии»? Причина, по которой этот вопрос не так прост, заключается в том, что люди используют слово «миссия» по-разному. Итак, что мы имеем в виду, когда говорим о миссии в контексте цифрового проектирования миссий? Давайте разберемся.
Миссия — это:
То, что продукт, система или платформа должна уметь делать.
Среда, в которой она должна это делать — включая природные силы и конкурентную или враждебную деятельность.
Какие есть примеры таких миссий?
Проще всего сказать, что ложка должна позволять есть суп, а миска с супом представляет собой её операционную среду. Или возьмём тепловой насос для вашего дома, который должен его обогревать и охлаждать. Среда теплового насоса включает множество факторов: от погодных условий снаружи дома до вентиляции внутри него.
К миссии также могут предъявляться определенные требования. Пример — автомобиль, который должен безопасно перевозить от четырех до шести пассажиров и определенное количество груза с определенной топливной эффективностью и так далее. Если вы водили автомобиль, то вам уже хорошо известно, насколько динамичной может быть эта среда и как динамические факторы могут по-разному влиять на условия выполнения задачи автомобиля.
Наконец, рассмотрим радар, который обнаруживает воздушные суда, но кто-то этому препятствует. Вероятно, его среда будет включать конкурентную или противоборческую деятельность — например, самолет, пытающийся заблокировать его работу.
Таким образом, хотя определение миссии можно свести к достаточно простому, полное описание конкретной миссии может быть многогранным и сложным. И, как вы можете себе представить, чем сложнее миссия, тем больше преимуществ даёт использование цифрового инжиниринга миссий.
Диверсификация миссий
Цифровой инжиниринг миссий изначально был реализован в аэрокосмической отрасли, где его активно используют до сих пор. В то же время Ansys — и наши клиенты — доказывают, что тот же подход можно успешно применять к самым разным другим системам, включая автомобили, морские суда и «умные» города.
Давайте рассмотрим пример того, как цифровой инжиниринг миссий может применяться в другой отрасли — телекоммуникациях. Можно сказать, что миссия мобильного телефона заключается в обеспечении скорости передачи данных и голосовой связи в любой городской среде с большим количеством пользователей. Вы определили, что он должен делать, и среду, в которой он должен это делать. В каких случаях цифровой инжиниринг миссий может определить, способен ли телефон выполнить свою миссию?
Давайте посмотрим, что можно проанализировать:
- Динамические факторы среды, такие как естественные препятствия радиочастотного воздействия на сложные сети связи.
- Взаимодействие систем телефона, например, фотографирование во время видеоконференции с потоковой передачей данных при подключении к Bluetooth-гарнитуре.
- Как движение влияет на производительность. Например, телефон может использовать информацию о местоположении от спутников GPS, поэтому важно учитывать, что препятствия, такие как здания, меняются при перемещении устройства по городу.
Конечно, мы упрощаем ситуацию. Но как только вы поймёте полный смысл миссии в контексте цифрового инжиниринга, вы сможете оценить широту его возможного применения.
Правильно примененный цифровой инжиниринг миссий повышает эффективность и снижает затраты, начиная с самого начала проектирования продукта и вплоть до этапа эксплуатации и технического обслуживания. Благодаря постоянной проверке реальной производительности на каждом этапе жизненного цикла вы приступаете к каждому следующему этапу с уверенностью, что ваша разработка готова к следующему шагу. Увидев собственными глазами, насколько эффективен такой подход для вашей команды, вы будете готовы к невероятным технологическим скачкам.