Как NASA решает задачу моделирования дозаправки космических аппаратов с помощью роботов и Solid Edge

Разрабатываемая с 2011 года агентством NASA программа Robotic Refueling Mission (RRM) может стать поворотным моментом в истории освоения космоса. Ее цель - осуществлять проведение дозаправки спутников топливом от автоматического корабля. Заправка проводится без какого-либо вмешательства человека. Однако космическому роботу NASA нужна помощь и здесь, на Земле.

Программа NASA Robotic Refueling Mission (RRM) может стать поворотным моментом в истории освоения космоса

Моделирование дозаправки в NASA

Майк Фортье (Mike Fortier) и его сотрудники в компании Mikrolar занимаются разработкой роботов с 1980-х годов. За это время Фортье разработал немало новых технологий, но главным его достижением стало создание высокоточных роботов типа «гексапод», ставших настоящим прорывом.

Созданный в Mikrolar робот Hexapod представляет собой стол, установленный на ряде параллельных двойных приводов. И стол, и все, что на нем закреплено, имеют шесть степеней свободы.

Hexapod (также называемый «платформой Стюарта») находит множество различных применений, но чаще всего служит основой для построения летных тренажеров, имитируя перемещения кабины.

Учитывая богатый опыт компании Mikrolar по проектированию гексаподов, неудивительно, что NASA обратилось именно к Фортье с заданием на разработку испытательного стенда для космического робота-заправщика.

Когда спутник подходит к концу своего срока службы, его сводят с орбиты и заменяют новым, — рассказывает Фортье. - Это весьма недешевое дело

Для продления срока службы космических аппаратов инженеры NASA разрабатывают специальный роботизированный аппарат для дозаправки. Он будет запускаться с борта Международной космической станции (МКС) и проводить автоматическую заправку спутника, выработавшего свой ресурс.

Одна из проблем, с которой столкнулась НАСА в ходе работ по программе RRM — отсутствие возможности проводить испытания оборудования в условиях невесомости.

Робот RRM должен снять теплозащитное покрытие со спутника, состыковаться и перекачать жидкое топливо на борт. На каждом этапе этого сложного процесса легко совершить ошибку. Фактически даже малейшая погрешность в работе RRM может не только оттолкнуть его от заправляемого спутника, но и нарушить орбиту космического аппарата.

Одна из проблем, с которой столкнулась НАСА в ходе работ по программе RRM — отсутствие возможности проводить испытания оборудования в условиях невесомости, Hexapod позволил решить эту проблему

Чтобы специалисты NASA смогли разработать оптимальную конструкцию RRM, инженеры Mikrolar занялись созданием робота, который, по словам Фортье, мог бы имитировать невесомость.

Для этого группа Фортье разработала роботизированную систему с шестью степенями свободы. В ней имеются шесть поворотных платформ, установленных на изготовленном с высокой точностью кольце. На каждой платформе установлена жесткая стойка с двумя шарнирами, соединяющая платформу с подвижным столом, на котором закрепляется спутник.

Наличие датчиков усилия в контуре обратной связи и соответствующее сочетание шести стоек и подвижных платформ позволили инженерам Mikrolar реализовать перемещение спутника на столе по тем же математическим законам, что и в космосе.

По мнению Фортье, благодаря применению разработанной компанией Siemens PLM Software системы Solid Edge проектирование гексапода по программе RRM свелось к простому объединению параметрических моделей в готовую конструкцию. Еще одной проблемой было запрограммировать робота так, чтобы полностью имитировать работу в космическом вакууме.

Благодаря применению разработанной компанией Siemens системы Solid Edge проектирование гексапода по программе RRM свелось к простому объединению параметрических моделей в готовую конструкцию

В NASA хотели, чтобы мы создали робота, пристыковывающегося к объекту массой в 500 кг., - рассказывает Фортье. - В случае соударения мы должны были измерить силу удара и отплыть от объекта точно так, как это происходит в невесомости. Это крайне необычное требование при проектировании робота. Имитация невесомости — очень непростая задача, требующая серьезной проработки

В ходе совместной работы с NASA специалисты компании Mikrolar создали специальный набор инструментов отслеживания координат объектов в реальном времени. Для этого потребовалось разработать сложную математическую модель.

После весьма трудоемкого программирования удалось изготовить и отладить робота, который способен перемещаться так же легко и точно, как в невесомости.

В 2017 году НАСА работает над вторым этапом программы RRM. Часть оборудования уже доставлена на МКС, ведется подготовка к первой в мире автоматической заправке спутника.

Хотя срок проведения такой заправки еще не определен, очевидно, что без вклада Фортье и других специалистов компании Mikrolar амбициозный проект NASA мог бы и не воплотиться в жизнь.