Od kosmosu po okręty: symulacje w służbie polskiej inżynierii

Tematem dyskusji były m.in. technologie symulacyjne w branżach kosmicznej, zbrojeniowej i transportowej, wykorzystanie superkomputerów i AI w symulacji, a także nowości w dziedzinie analiz przepływowych, mechanicznych, elektromagnetycznych i optycznych.

Szybciej i taniej

„Symulacje chyba nigdy w pełni nie zastąpią badań eksperymentalnych, jednak wykorzystanie symulacji skraca czas rozwoju produktu, zwiększa możliwości jego optymalizacji. W przypadku modelowania procesów pozwala je zrozumieć, wskazać obszary, w których te procesy można ulepszyć, i które wymagają poprawy czy też są źródłem problemów” – powiedział Defence24 dyrektor zarządzający Symkom Adam Piechna.

Zauważył, że „w nowoczesnym schemacie projektowanie symulację wykorzystuje się już na bardzo wczesnych etapach, im wcześniej, tym lepiej”. „Mamy coraz więcej narzędzi, które różnią się stopniem komplikacji i wykorzystywanych w nich kompetencji, ale już nawet na etapie bardzo wstępnego projektowania inżynierowie mogą wykorzystując te narzędzia przeprowadzić bardzo szybką, prostą analizę, by sprawdzić pewne koncepcje. Na kolejnych etapach projektowania symulacje mogą być coraz bardziej złożone. Pozwala to zarówno zmniejszać koszty opracowania nowych rozwiązań, jak i skrócić ten proces. Na Zachodzie te rozwiązania były stosowane już wcześniej, w Polsce jesteśmy w momencie dynamicznego wzrostu świadomości znaczenia symulacji” – dodał.

„Symkom jest obecny na polskim rynku od 1997 roku. Założyciel firmy Leszek Rudniak  był w Polsce pionierem oprogramowania symulacyjnego. Od początku wdrażaliśmy oprogramowanie symulacyjne do polskiego przemysłu, ale i na uczelnie” – podkreślił Piechna. „Zaczynaliśmy od oprogramowania związanego z symulacjami przepływowymi, ale dość szybko zwiększyliśmy portfolio produktów. Jesteśmy autoryzowanym partnerem firmy Ansys, która w 2006 r. przejęła firmę Fluent. Obecnie wdrażamy rozwiązania służące do symulacji przepływowych, mechanicznych, elektromagnetycznych, optycznych, systemowych; mamy też wyłączność na dystrybucję na terenie Polski oprogramowania STK służącego inżynierii planowania misji” – dodał. Zwrócił uwagę że uczestniczące w konferencji firmy sektora satelitarnego Creotech i Thorium współpracowały z Symkomem już jako start-upy, „dziś to nasi kluczowi klienci”.

Jak wyjaśni specjalista inżynierii planowania misji w Symkom Przemysław Turos, to, co łączy różne branże korzystające z symulacji komputerowej, to budowa lub eksploatacja złożonych systemów, których komponenty poruszają się w różnych obszarach przestrzeni geograficznej lub kosmicznej. W dziedzinie obronności są to obiekty naziemne, morskie i powietrzne, powiązane danymi przesyłanymi w domenie promieniowania elektromagnetycznego. Narzędzia z inżynierii misji pozwalają odtworzyć, analizować i symulować zachowanie się tych systemów, wspierać ich eksploatację.

Jednym z takich narzędzi modelowania jest oprogramowanie STK. „Jest ono oparte na fizyce, odwzorowuje środowisko, w jakim wykorzystujemy systemy na platformach mobilnych, wyposażonych w systemy łączności, sensory. Oprogramowanie pozwala ocenić, na ile skutecznie systemy wykonują postawione przed nimi zadania. To najważniejszy cel symulacji w tej dziedzinie” – powiedział Turos. Symulacja umożliwia sprawdzenie, czy system rozpoznania, wykrywania celu lub łączności nie zostanie zakłócony przez celowe działanie lub wpływ środowiska, czy w środowisku są przeszkody jak np. zmienne oświetlenie, istotne w domenie optoelektronicznej.

Jak dodał Turos, w oprogramowaniu są zintegrowane dziesiątki tysięcy modeli fizycznych; modele aerodynamiczne uwzględniają ruch powietrza, jego gęstość; przy badaniu systemów łączności wykorzystuje się modele propagacji promieniowania elektromagnetycznego, w tym tłumienia troposferycznego fal radiowych. „Bierze się pod uwagę także takie czynniki jak ruch – non stop są aktualizowane informacje o sytuacji orbitalnej, czyli o położeniu i cechach orbit satelitów aktywnych i nieaktywnych, śmieci kosmicznych, ostatnich stopni takiet. W bazie są dane kilkudziesięciu tysięcy obiektów znajdujących się na orbicie. Możemy je wszystkie umieścić w naszej prezentacji i przeanalizować bezpieczeństwo poruszania się naszego satelity” - dodał.

„Chodzi o to, żeby sprawdzić, czy coś działa, dużo szybciej i dużo taniej niż gdyby budować fizyczny prototyp z metalu, drewna, kompozytów” – opisał cel symulacji dyr. ds. sprzedaży w Symkom Wojciech Regulski. Jak mówił, „matematyka opisuje większość zjawisk fizycznych, symulacja oblicza zachowanie obiektów, w praktyce otrzymujemy odwzorowanie prawdziwego świata na ekranie komputera - taniej, szybciej, precyzyjniej”.

„Symulacje są podstawą” – nie miał wątpliwości Tomasz Odyniec z firmy Thorium budującej satelitarne systemy telekomunikacyjne. „Skupiamy się na antenach, w związku z czym w naszej pracy wykorzystujemy głównie – choć nie tylko - symulacje elektromagnetyczne. Nie można rozpocząć działalności w tej branży bez symulacji. Moglibyśmy próbować, ale wobec kosztów, zasobów ludzkich, prototypowania, jakich by to wymagało, byłoby to bez sensu. Nie bylibyśmy w stanie dojść do rozwiązań w rozsądnym czasie. Zanim rozwiązania byłyby gotowe, straciłyby rację bytu” – powiedział. Thorium wykorzystuje także symulacje mechaniczne, skupiając się na zagadnieniach termicznych. „Anteny sterowane fazowo wytwarzają dużo ciepła, łatwiej je symulować niż budować prototypy” – wyjaśnił Odyniec.

Dla firmy Creotech – jak powiedział Piotr Dziuban – „najważniejszym elementem układanki w projektowaniu każdej misji kosmicznej jest wykorzystanie oprogramowania STK”. „Bez STK nie ma misji kosmicznej. Drugi element układanki to dla nas termika i mechanika. Jeżeli pierwsze wyniki są obiecujące, możemy przejść od budowy prototypów. Space to bardzo droga branża, narzędzia symulacyjne pozwalają nam zaoszczędzić bardzo dużo czasu, a jeszcze więcej pieniędzy” - powiedział.

Jak dodał, STK jest używany na wszystkich etapach – od projektowania po spłonięcie satelity w atmosferze lub odesłanie go na orbitę parkingową. Dane z numerycznych symulacji mechanicznych i termicznych, a także dane doświadczalne są wykorzystywane wielokrotnie, „żeby dostarczyć coś, co wytrzyma kosmiczne piekło na orbicie geostacjonarnej”.

Nie wszystko można symulować

Creotech w sierpniu ub.r. wysłała na orbitę  dotychczas największego i najbardziej zaawansowanego polskiego satelitę,  EagleEye; na początku września utracono nim łączność. „Niestety w tym przypadku symulacje nie były w stanie przewidzieć pewnego zbiegu okoliczności. Drobne rzeczy, które się nałożyły, spowodowały problemy techniczne. Gdyby satelita był u nas w firmie, usunęlibyśmy je w 20 minut, ale bardzo trudno naprawia się na orbicie. To jeszcze jeden dowód, że poza symulacją potrzebne jest testowanie. »Polegliśmy« na tym, że na Ziemi nie można przewidzieć pewnych warunków i zdarzeń kosmicznych. Teraz wiemy, co poprawić przed każdą kolejną misją” – powiedział Dziuban. Dodał, że jest szansa na ponowne nawiązanie łączności, jeżeli okoliczności będą sprzyjały.

„Symulacja nie daje wszystkiego. To, czy uda nam się uniknąć problemów, zależy też od dokładności modelu” – potwierdzi Odyniec, zaznaczając, że modele są tworzone na bieżąco.

Zwrócił uwagę, że przy projektowaniu dużych anten fazowych „symulacji nie da się przeprowadzić na kartce czy używając prostego komputera, potrzebne jest potężne narzędzie symulowania”; dzięki któremu wiadomo np. że pierwotnie zaprojektowana obudowa wymaga zmian z powodu nadmiernej ilości ciepła, którego nie dałoby się odprowadzić. Kiedy indziej trzeba inaczej budować samą antenę, która – jak w jednym z projektów – działała, ale wyniki odbiegały od założonych.

Cały czas się uczyć

Michał Oleksy z SDC Verifier mówił o niezbędności oprogramowania symulacyjnego wykorzystanego do analizy wyboczeniowej kadłuba okrętu – zamówienia, w którym wymagania stawiane przez wojsko przewyższały ogólne normy dla podobnych konstrukcji. Oprogramowanie pozwoliło na wczesnym etapie wykryć miejsca wczesnego ryzyka zmęczeniowego. Jak zaznaczył, jego firma może też zagwarantować klientom wojskowym bezpieczeństwo danych, do których dostęp ma wąskie grono uprawnionych.

Dyskutanci podkreślali, że właściwie wykorzystanie narzędzi do symulacji wymaga ciągłego doszkalania nawet najlepiej wykształconych inżynierów i specjalistów przychodzących do sektora satelitarnego np. z branży lotniczej.

Jak powiedział Wojciech Regulski (Symkom), „na Zachodzie symulacje od dawno są wbudowane w proces inżynierski, to raczej proces usprawniania procesów symulacyjnych które już istnieją, podczas gdy u nas w wielu firmach symulacje są wykorzystywane silosowo”.

W zastosowaniu symulacji przeszkadza czasami to, że inżynierowie nie są w stanie wykorzystać oprogramowania, kiedy indziej wyzwaniem jest moc obliczeniowa, ponieważ, jak powiedział Tomasz Odyniec, „skomplikowanych obliczeń nie da się wykonać na domowym pececie”. Michał Oleksy wskazał na „przeszkody wewnętrzne” i podejście: jeżeli coś działa, po co to zmieniać. Stąd – dodał Oleksy potrzeba uświadamiania, że warto się rozwijać pod tym względem. Według niego warto korzystać z oferty takich partnerów technologicznych jak Symkom, którzy mają wypracowane, dostosowane do charakteru firm, sposoby wprowadzania nowych rozwiązań.

„Formuła konferencji ewoluowała przez lata. Ale jej główny cel to niezmiennie okazja do spotkania z klientami, rozmów z nimi, to także okazja dla klientów, by rozmawiali między sobą, mogli się wymienić doświadczeniami, pomówić o wyzwaniach, o tym, jak wykorzystują oprogramowanie” – powiedział Adam Piechna. Ważne są też prezentacje kolejnych edycji oprogramowania i zawartych w nich nowości. „Zapraszamy też naszych klientów, by na przykładach pokazali, w jaki sposób wykorzystali symulację do rozwiązania konkretnych problemów, wykonania konkretnych zadań. Dzięki temu możemy zobaczyć, jak są stosowane nasze narzędzia symulacyjne. Od kilku lat konferencja odbywa się w formule hybrydowej, jest transmitowana online, co bardzo zwiększyło krąg odbiorców, do których docieramy. Dzięki temu spotykamy się nie tylko z aktualnymi, ale i potencjalnymi użytkownikami; możemy promować nasze rozwiązania” – dodał Piechna.

Artykuł sponsorowany