Foguetes vibram, tremem e se flexionam intensamente enquanto sobem ao espaço, e as naves espaciais repletas de instrumentos científicos delicados precisam suportar essas forças. Antes de qualquer foguete deixar o solo, engenheiros da NASA trabalham para prever como essas tensões afetarão cada parte de uma nave espacial.
Para isso, engenheiros do Dynamic Environments Group, do Launch Services Program Office da NASA, no Kennedy Space Center da agência, na Flórida, simplificaram a maneira como garantem que naves espaciais e foguetes sejam capazes de suportar vibrações, choques, tensões e outras forças físicas severas, reforçando assim a segurança das missões.
Usando de uma nova maneira uma ferramenta comercial de software digital, os engenheiros desenvolveram um fluxo de trabalho padronizado de modelagem por elementos finitos para aprimorar a análise de choques e vibrações e garantir que o hardware esteja preparado para os ambientes extremos do lançamento e da ascensão.
“Esse método baseado em computador ajuda a prever como foguetes e naves espaciais se comportarão em condições extremas antes que o hardware seja construído e ajuda a identificar antecipadamente pontos fracos e possíveis riscos de falha, para que a equipe possa lidar com essas descobertas”, disse Brian Beaver, chefe da Flight Analysis Division do Launch Services Program Office no NASA Kennedy.
A equipe usou o software recentemente pela primeira vez ao certificar o foguete de uma empresa de lançamentos comerciais selecionado para uma missão da NASA. A parceira comercial forneceu testes de vibração, mas não testes de choque. O Dynamic Environments Group determinou que os testes de choque eram necessários e usou um modelo criado pelo grupo para fazer comparações de cenários, visualizar o comportamento estrutural e responder a perguntas complexas que, no passado, exigiriam uma extensa modelagem manual. A equipe verificou os resultados dos testes da empresa para os ambientes de voo, e a análise forneceu novos insights sobre os choques durante o transporte.
“Estamos usando uma ferramenta que existe há décadas, mas que normalmente não é usada pelas áreas de ambientes dinâmicos”, disse Alex Hardt, engenheiro aeroespacial do Launch Services Program Office no NASA Kennedy. “Mas estamos mudando isso. Estamos usando-a em uma área relativamente nova da dinâmica.”
Embora foguetes e naves espaciais sejam projetados para absorver choques e vibrações, essas forças podem causar desgaste ou possíveis falhas durante o voo, especialmente no lançamento e na ascensão.
“Nós definimos a intensidade dos níveis de vibração aleatória e de choque e, em seguida, verificamos se todas as peças que serão instaladas em futuros foguetes foram testadas nesses níveis, maximizando sua vida útil”, disse Hardt.
Economia de tempo com software
Durante décadas, engenheiros estimaram os ambientes de choque e vibração usando regras práticas ou escalando dados anteriores para estimar como cada componente do foguete ou equipamento da nave espacial seria afetado depois de montado e durante o voo. A abordagem funcionava, mas dependia fortemente do julgamento dos engenheiros e de aproximações simples baseadas em missões anteriores.
Como a maioria dos engenheiros de ambientes dinâmicos usa ferramentas de modelagem por elementos finitos com pouca frequência, eles muitas vezes precisam reaprender fluxos de trabalho complexos. O software substitui ferramentas mais antigas e oferece um modelo padrão que orienta os engenheiros de forma mais rápida e completa na análise de perfis de vibração e condições de choque.
A análise por elementos finitos é uma poderosa técnica de simulação que divide uma estrutura complexa em componentes menores, para que os computadores possam prever com precisão como uma nave espacial ou um foguete responderia a forças específicas ou a ambientes de lançamento. Isso é importante porque os problemas podem ser resolvidos em solo; depois que o foguete deixa a plataforma de lançamento, a maioria dos problemas não pode ser reparada ou corrigida, o que torna essencial sua identificação antecipada.
“Nós o usamos para obter, muito rapidamente, insights realmente valiosos na verificação do sistema de uma empresa fornecedora”, disse Hardt. “Ele já proporcionou insights muito profundos sobre algo que normalmente exige bastante esforço.”
Hardt afirma que a capacidade de visualizar problemas de dinâmica não intuitivos usando modelos de elementos finitos também destaca o impacto valioso do software no aprendizado, na eficiência e no alinhamento com a cultura da NASA centrada nas pessoas. O fluxo de trabalho pode ajudar os engenheiros a compartilhar conhecimento, aperfeiçoar avaliações com dados adicionais de voo e aumentar a proficiência no uso de ferramentas de modelagem. Essa capacidade já economizou meses ao permitir que a equipe realizasse análises de forma independente, sem precisar solicitar e aguardar relatórios ou dados de análise, e ao ajudá-la a identificar riscos que antes não eram considerados.
O Launch Services Program Office da NASA é responsável pelo lançamento de foguetes que transportam naves espaciais destinadas a observar a Terra, visitar outros planetas e explorar o universo — de satélites meteorológicos a telescópios espaciais e rovers de Marte. A equipe adota constantemente novas ferramentas como esta para oferecer à agência a maior probabilidade prática de sucesso em cada missão.