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Comet应用:向空基EO传感器的

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Comet应用:向空基EO传感器的更高效设计
时间:2017-04-18 23:39来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
文章来源:Malcolm Panthaki, Founder & CTO, Comet Solutions, Inc. (www.cometsolutions.com)

集成STOP分析只需几个小时,而不是几个星期!
 
空基EO传感器是高度敏感的仪器,必须在恶劣的发射和空间环境中生存。产品团队设计和交付硬件,确保第一次就能成功。由于故障代价高,并且经常是高度可见的,所以在发射之前对这些仪器的设计、分析和T-VAC测试需要进行大量的关注和努力。
 
由于物理测试极其昂贵和有限制,设计团队使用仿真来帮助探索设计空间,并提供第一级验证,在很多的环境条件和假设推测下测试不断演变的设计。这些仿真需要主题专家团队(SME)-在空间系统工程、CAD、控制、光学、热、结构和电磁分析方面的专家们。在今天的分层/“筒仓”组织中工作,并使用一些零散化的分析工具,每次迭代都需要不能容忍的长时间完成-集成STOP(结构、热、光学性能)分析需要花3-6个星期的时间完成!这些模拟有在实地评估传感器的性能,生成大量的分散数据,迫使SME在它们之间手动传输数据,并手动整理设计决策所需的关键结果。管理快速演变的设计和相关的分析数据是最困难的,通常可能不会发生。这种方法不能促进协作系统的思考,并且极大地减少仿真对在时间和预算内施工计划可能产生的影响。与预期相比的几个情况进行了分析,通常,项目会超过预算,由因子2-5控制,更糟糕的是,会引起轨道故障1。
 
Comet Performance Engineering Workspace的一个应用领域是STOP分析2。借助这种集成的仿真环境,美国航空航天公司3-4、NASA Langley、NASA Goddard(与comet合作的第一个项目)、空军研究实验室(AFRL)5和美国以外的其他光学研究所/组织,会发现他们设计过程和仿真吞吐量有了显著的提高。
 
图1是捕获典型STOP分析过程的数据流和执行流的流程示意图。该过程采用CAD模型和相关的光学规格参数作为输入。每个矩形框表示仿真过程中的一个任务,例如,有执行网格划分操作(热和结构网格通常是相当不同)、热分析、结构分析和光学分析的任务。这些任务之间的数据流是相当复杂的,但无缝地处理,自动处理单位和坐标系统变换(这往往也是误差和低效率的源头)。在每个任务中,SME编写用于运行相关联的基础分析工具的适当的规则集合 - 这些规则以图形编码,在创建模板时大部分消除了对脚本和编程的需要。
 
一旦模板设置完成,各种分析就自动进行,允许任何工程师,无论他们的专业知识如何,在几个小时内从头到尾运行整个STOP过程。他们可以对设计几何体和设计的任何其他方面以及对环境进行改变,并且更新的设计可以在没有进一步用户输入的情况下被快速重新分析。 comet工作空间促进了“系统思维”和工程师之间的协作,与当前仿真环境中严格的“孤岛”方法形成鲜明对比,最重要的是,它促进了光学系统3-4的并行工程。一个关于使用Comet STOP模板中如何工作的案例可通过Web5获得。
 
图1:在Comet中-网格划分、热、结构和光学任务中的典型STOP过程
 
用户使用案例
 
美国航天航空公司
 
由David Thomas博士领导的航空航天公司的多学科的EO传感器有效负载团队已经使用Comet作为集成工作空间,促进他们的并行工程进程,已经有数年3-4,7。这些项目覆盖了从早期概念设计到最终设计验证的过程。Thomas博士的结论是,由Comet主持的并行工程过程比以前的过程给予了许多优点-显着的效率提升和仿真吞吐量的提高,SME之间“系统思维”的增强,以及在最早的概念设计阶段引入更高保真度的仿真能力,使更高质量的设计更快。
 
NASA Langley
 
在NASA Langley,热工程师使用Comet来运行整个STOP过程,以验证HSRL(激光雷达)光学系统的设计。使用结构和光学专家的专业知识,他能够创建STOP模板,然后自己执行整个过程。模板允许他在短时间内快速体验各种假设分析。这个用例说明了SME和系统工程师之间的关系,传统上他们只在自身领域中运行计算,现在可以使用其专业领域外的工具安全地运行仿真,增强了团队中所有工程师考虑整个系统的能力。这扭转了目前一直在创造极其有限的工具为中心的专家,对于他们设计和交付复杂的系统的不利这一趋势。
 
AFRL主导的能源计划
 
在AFRL,工程师团队一直在设计和测试复杂、尖端的激光武器技术。最近,Comet被用于演示对复杂激光系统进行混合保真度系统评估的能力6。Comet的集成数据模型可以捕获和管理多个组件,每个由不同的分析程序使用,跨越多个物理领域和多个级别的模型保真度7。这种能力允许工程师从保真度的角度“放大”某些子系统-子系统被怀疑引起波束扩散问题。因此,工程师能够为大多数系统保留低保真度系统,同时在选定的子系统上执行高保真的热和结构计算。这种混合保真方法提供了与在物理测试中检测到的系统异常相匹配的更高保真度结果,而如果使用高保真来分析整个系统,将不会产生人力和计算费用。
 
总结
 
当前的STOP工作流是顺序执行的,分段的且低效,(这是由于)它们是多个“孤岛”组织中的SME团队执行的。在AFRL示例,以及在航空航天公司、NASA和其他地方的许多其他用例中,分析学科捕获和重复使用的Comet方法已经表现出极大的改进。Comet模板允许产品团队快速处理设计变化,同时确保分析准确性,并跨多学科群体有效协作,以做出设计决策。当每个完整设计迭代只需几天而不是4-6周内完成时,产品团队可以按时间和预算提供更好的设计。目前,Comet Solutions正在与AFRL合作,以提高Comet管理系统级和混合保真模型的能力,以及与航空航天公司和其他公司合作,加强其处理动态(抖动分析)和复合材料的能力。
 
参考文献
 
1. D. Thomas, Causes of catastrophic failure in complex systems, Proc. SPIE 7796, 77960K, 2010. 
2. http://www.cometsolutions.com/products/cometoptronics-stop The application of the Comet Performance Engineering Workspace to the integrated STOP analysis of space-borne EO Sensors. 
3. J. Geis, J. Lang, L. Peterson, F. Roybal, J. Tanzillo, D. Thomas, and D. Warren, Concurrent engineering of an infrared telescope system, Proc. SPIE 8127, 2011. 
4. J. Geis, J. Lang, L. Peterson, F. Roybal, and D. Thomas, Collaborative design and analysis of Electro-Optical Sensors, Proc. SPIE 7427, 74270H, 2009. 
5. http://www.cometsolutions.com/wp-content/uploads/2011/09/SpaceSystems_STOP_COMET_2PG_FLIER_01_2010.pdf Flier on the use of the Comet Performance Workspace for STOP analysis. 
6. Panthaki and S. Coy, Model-Based Engineering for Laser Weapons Systems, Proc. SPIE 8127, 2011. 
7. M. Panthaki, Concurrent Engineering to the Rescue: Do We Have the Software Tools to Support It? Proc. SPIE 7071, 2008.
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