Jak simulace pomáhají navrhovat integrované systémy pro start, oběžnou dráhu a přistání

Blue Ghost

Když slunce zapadá za jasné noci, dav ztichne. Diváci i inženýři sledují, jak se téměř 30 metrů vysoká raketa začíná vzdalovat od Země a za sebou nechává jasné plameny.

Při jiné misi nese nosná raketa s vyšší nosností lunární přistávací modul, který dopraví důležitý náklad na povrch Měsíce, nebo možná vynáší orbitální družici na nízkou oběžnou dráhu Země (LEO), kde může zajišťovat flexibilní hosting, sdílené vynášení a doručovací mise.

Historicky by všechny tyto prvky vyvíjely různé společnosti, ale dnes to není nutné. Firefly Aerospace působí jako kompletní kosmická dopravní společnost, která zvládne vše — a ještě víc — aby naplnila svou misi umožnit světu startovat, přistávat a fungovat ve vesmíru. Firefly navrhuje a vyrábí většinu svých komponent in-house, včetně vlastních avionických systémů. Produkty Firefly jsou navíc navrženy tak, aby byly vzájemně zaměnitelné a mohly se využívat ve všech projektech společnosti.

K dosažení tohoto cíle spoléhá Firefly na tým s opravdu multidisciplinárními dovednostmi. Brigette Oakes, viceprezidentka pro inženýring ve Firefly, uvádí, že jejich odbornost pokrývá mechanické inženýrství a kompozitní struktury, elektroinženýrství, avioniku, softwarové inženýrství (včetně pozemního softwaru, letového softwaru a embedded systémů), pohonné inženýrství pro motory a systémové inženýrství.

Právě díky této všestrannosti dokáže Firefly vytvářet jedinečné produkty, které patří ke špičce v oboru, a plnit své ambiciózní cíle.

Pohled na produkty Firefly pro start, přistání a oběžnou dráhu

Produkty Firefly, které vznikají ve specializovaných provozech společnosti, lze rozdělit do tří hlavních kategorií.

První z nich jsou dva nosné systémy Firefly:

• Alpha, malá raketa s unikátní konstrukcí z uhlíkových vláken. Je určena pro komerční, civilní i bezpečnostní mise na nízké oběžné dráze Země (LEO).  
• Středně těžký nosič (MLV), který bude moci zajišťovat například zásobovací mise pro vesmírné stanice nebo komerční družice. MLV bude dvoustupňová raketa, přičemž první stupeň využije motor Miranda a druhý stupeň motor Vira. MLV je navržena i pro opakované použití díky návratu na startovací plochu (RTLS) a řízenému přistání prvního stupně.  

Při vývoji obou raket se Firefly zaměřila na spolehlivost, rychlou připravenost a cenovou dostupnost. Paralelně k nim vyvinula i pět motorů s tahem od cca 20 do 100 tun. „Pokud máte rádi pohony, jste tady jako dítě v obchodě s cukrovinkami,“ říká Oakes. Tyto motory jsou, jak je u Firefly zvykem, škálovatelné a lze je upravit pro specifické mise.

Další kategorií jsou lunární přistávací moduly. Lunární lander Blue Ghost od Firefly slibuje doručit a hostovat náklady kdekoliv na povrchu Měsíce. Blue Ghost lze přitom kombinovat s MLV a orbitálními vozidly Firefly pro kompletní cislunární služby.

Blue Ghost je součástí programu NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS) a v roce 2025 letěl na Měsíc na raketě Falcon Nine. Účast v CLPS „nám otevírá dveře pro kontinuální a udržitelné mise na Měsíc,“ uvádí Oakes.

Firefly završuje svou nabídku end-to-end vesmírné dopravy třetí kategorií: orbitálními vozidly Elytra. Nabízí tři varianty:

• Elytra Dawn, rychle dostupné platformy pro hosting, sdílené lety a doručování na LEO.  
• Elytra Dusk, autonomní platformy pro flexibilní úkoly a přesuny z LEO až na geostacionární dráhu (GEO).  
• Elytra Dark, odolné platformy pro dlouhodobé služby a transfery z LEO na lunární oběžnou dráhu a dále.  

Nadcházející mise Elytra využijí edge computing, což umožní „docela chytré optimalizace už při obíhání,“ říká Oakes. Firefly doufá, že v budoucnu vytvoří konstelaci těchto vozidel, která bude poskytovat služby na orbitě — od úklidu vesmírného odpadu až po servis jiných satelitů.

Optimalizované návrhy díky simulacím Ansys

Firefly integrovala simulační software Ansys do všech svých produktů, programů a disciplín „od prvního dne,“ říká Oakes. „Ve všech obchodních jednotkách Firefly uvidíte stopy síly simulací.“ Firefly dnes využívá různé produkty Ansys, mimo jiné pro rychlou iteraci návrhů a zkrácení doby uvedení na trh.

Ansys pomáhá Firefly rychle dosáhnout optimalizovaných návrhů. Například pomocí Ansys SpaceClaim pro 3D CAD může inženýr upravit design držáku během pár minut.

Dalším příkladem efektivity je vývoj motoru Specter, kdy Firefly díky simulacím Ansys dostala projekt z konceptu k testovacímu zážehu za pouhých 11 měsíců namísto let, které by to běžně trvalo. „Simulace pomáhají firmám jako Firefly být rychlejší a agilnější než někteří tradiční hráči … zejména pokud jde o kosmické lodě,“ říká Oakes.

Simulační software rovněž zajistí, že návrhy jsou optimalizovány podle mise. Například u kompozitních konstrukcí chcete co nejnižší hmotnost. S Ansys Mechanical pro strukturální analýzu pomocí MKP dokázali vytvořit model za týden, místo týdnů či měsíců na jiné platformě. Tento model lze pak používat napříč návrhovým a analytickým cyklem a iterovat úpravy k dosažení minimální možné hmotnosti — a to celé v Ansys.

Simulace také zlepšují komunikaci mezi různými odbornými týmy tím, že poskytují jednotný nástroj, což je pro multidisciplinární týmy Firefly klíčové.

Zohlednění extrémních teplot vesmíru

Aby návrhy Firefly zvládly extrémní teploty, využívají Ansys Thermal Desktop pro simulace vedení, proudění a záření. Sweeney vysvětluje, že jde o vedení tepla ve strukturách, konvekci prostřednictvím kapalin (např. paliva) a záření — hlavní formu přenosu tepla ve vesmíru.

Software umožňuje analyzovat každý komponent kosmické lodi v rámci celé mise, např. oběžnou dráhu kolem Země i Měsíce a přistání na lunárním povrchu. Thermal Desktop propojený s Ansys Systems Tool Kit (STK) pak umožňuje přesně modelovat prostředí mise a spolupracovat s týmem GNC (navigace a řízení).

Firefly také používá simulace pro detailní pohled na konkrétní komponenty — od návrhu tepelného štítu Blue Ghost, přes rozptyl tepla z elektroniky, až po návrh systému tepelné regulace. Díky multiphysics funkcím Ansys lze rovněž modelovat spotřebu energie pro udržení potřebné teploty.

Budoucnost

Firefly si představuje budoucnost, kde bude vesmír dostupný všem — a jejich práce tuto vizi pomáhá naplnit. Krátkodobě to znamená více startů Alphy, možná další mise Blue Ghost a Elytra, a hledání „optimálních řešení pro celý tým,“ říká Sweeney.

Společnost se také zaměřuje na výchovu nové generace vesmírných inženýrů, například programem DREAM, který umožňuje studentům vynášet experimenty na raketě Alpha.

Chcete zjistit, jak vám mohou SpaceClaim a Thermal Desktop pomoci při vašich, nejen kosmických, misích?

A nezapomeňte se podívat na Ansys dokument „Simulating Space“!