[Ansys case study] Lockheed Martin Space의 MBSE를 활용한 OSIRIS-REX 우주선의 임무 궤적 시뮬레이션

관리자
2024-03-19
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Lockheed Martin Space는 통합 모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE)을 사용하여 OSIRIS-REX 우주선의 임무 궤적을 시뮬레이션 하였습니다.


배경

NASA가 소행성 101955 Bennu를  연구하고 샘플 귀환 임무를 수행하도록 OSIRIS-REX (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer)를 설계했습니다. 이 임무의 주요 목적은 Bennu 표면에 우주선을 착륙시켜 최소 2oz에서 최대 4.4lbs의 무게의 샘플을 수집한 후 샘플을 그대로 가지고 돌아오는 것이었습니다.


Bennu는 지구에서 가까운 소행성으로 대략 6년에 한번씩 접근합니다. 과학자들은 특히 Bennu에 관심이 많은데 그 이유는 오직 소수의 후보 소행성만이 탄소기반 분자가 풍부한 것으로 밝혀졌기 때문입니다. 이 정보는 지구상 생명의 기원과 태양계 내 다른 곳에서의 생명 가능성과 관련된 중요한 정보를 보유하고 있을지도 모릅니다. OSIRIS-REX는 모든 소행성에 대한 더 정확한 조사를 제공하고 B타입 소행성의 화학과 광물 함량을 이해할 수 있는 과학적 데이터를 수집합니다. 또한 소행성의 궤도에 약간의 변화를 미치는 태양 복사의 능력도 측정하고 있습니다.


나사는 OSIRIS-REX 우주선을 만들고 임무 수행을 제공하기 위해 록히드 마틴 스페이스 (LMS)와 계약을 맺었습니다. LMS는 또한 정확한 기동과 교전을 보장하기 위해 임무의 많은 매개 변수와 제약 조건에 대한 시뮬레이션을 수행했습니다.

Mosaic image of asteroid Bennu Image (credit: NASA/Goddard/University of Arizona)


도전과제

로켓과학은 이미 복잡하며, 이는 단지 발사체를 지상에서 발사하는 것뿐입니다. 우주선 통신을 유지하고 태양 복사로 인한 센서의 손상은 방지하면서 샘플을 수집하기 위해 움직이고 회전하는 파편위에 우주선을 착륙시키는 것. 그것이 나사의 OSIRIS-REX 임무의 도전과제였습니다.

임무를 준비하기 위해, Lockheed Martin Space (LMS)는 약 1주일간의 임무 수행 순서를 정하고 그들의 테스트베드에서 그 임무들을 모의실험 했습니다. 각각의 테스트는 요구사항들과 임무 매개변수들의 변화에 대응하는 팀의 능력을 제한하는 광범위한 수동 작업을 수반했습니다.

1주인간의 모의 미션 활동은 실시간 모의 실험의 하루와 같습니다. 10년 동안의 미션의 경우, 데이터를 시뮬레이션하고 분석하는 수개월을 의미합니다. 미션 시간의 제약때문에, 팀은 가능한 일어날 수 있는 모든 변수와 사건을 시뮬레이션 할 수 없었습니다. 계획되지 않은 변경사항은 전체 임무를 위태롭게 할 수 있습니다.

Photo credit: Lockheed Martin Space


OSIRIS-REX의 미션 운영 과제

1) 우주선의 Thermal KOZ(Keep-Out-Zone) 및 +Z 영역에서 태양을 피해야 합니다.

2) 열 제약 조건에 따르면 태양은 특정 기간 임계값을 초과하여 Thermal KOZ에 있을 수 없습니다.


고객의 목표

1) 열 제약 위반에 대한 다양한 궤적을 신속하게 평가하여 선호하는 미션 궤적을 식별한다.

2) 미션 계획의 초기 단계에서 기하학적 제약 조건을 평가하기 위한 보다 신속하고 유연한 접근 방식 제공한다.

3) 제안된 OSIRIS REx 궤적 동안 변수를 효율적으로 추적한다.


솔루션

LMS(Lockheed Martin Space)는 우주선과 임무를 표현하기 위해 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링) 아키텍처를 개발했습니다.

우주의 변수를 복제하고 분석하기 위해, 그들은 미션 시뮬레이션 소프트웨어를 사용했습니다. 하지만, MBSE 구조와 시뮬레이션을 연결하는 장치가 없었습니다.

ModelCenter®를 활용하여 LMS는 그들의 MBSE모델을 시뮬레이션 도구에 연결시킬 수 있었습니다.

매개변수와 제약 조건은 태양, 지구, 달 및 태양계의 다른 천체에 관한 우주선의 방향과 궤적을 모델링하는 시뮬레이션을 통해 시간 단계에 따라 결정됩니다. ModelCenter®는 시뮬레이션 결과를 평가하여 미션 제약 조건을 준수하도록 합니다.

Solution Approach (Credit: Lockheed Martin Space)

Photo credit: NASA/Glenn Benson


결과

Lockheed Martin Space는 미션과 우주선 모두를 위한 공식 시스템 아키텍처를 개발하여 미션 요구 사항을 빠르고 정확하게 이해하고 관련 설계 매개 변수와 다양한 하위 시스템에 미치는 영향을 관리할 수 있었습니다.

연구팀은 ModelCenter®를 사용하여 미션 시뮬레이션을 자동화하고 이 시스템 모델과 통합했습니다. 이를 통해 설계 프로세스 초기에 잠재적인 문제를 파악하고 우주선의 수명 주기 전반에 걸쳐 복잡한 미션 요구 사항을 확인하고 불가피한 요구 사항 변화에 대응할 수 있었습니다.

LMS는 이전의 노력보다 훨씬 더 많은 분석을 수행했으며 설계 작업은 이전의 설계 프로세스보다 7배 더 빠르게 수행되었습니다.