Структури на НАСА, които са "еволюирали", радикално намаляват теглото за изстрелване

Еволюцията е оформила носещите скелети на животните в продължение на хилядолетия с невероятна прецизност. Сега една ускорена симулация на процеса на еволюция помага на НАСА да създава по-здрави и по-леки части за своите проекти за космически кораби - за рекордно кратко време.

Разходите за изстрелване на космически кораби са паднали много през последните едно-две десетилетия, но все още не е евтино да се издигне нещо в орбита - най-добрите цени на SpaceX все още са доста над 1 000 щатски долара за килограм. Така че аерокосмическата индустрия остава отрасъл, в който олекотяването може да оправдае почти всички разходи.

В този контекст е малко странно, че на НАСА ѝ е трябвало толкова време, за да започне да използва генеративно (с функцията да създава) проектиране.

През 2017 г.  се появява нов бутон в CAD софтуера Fusion360 на Autodesk, който позволява на конструкторитеи да направят груб проект за дадена част, да направят правилно всички важни измервания, да кажат на софтуера какви натоварвания и напрежения трябва да издържи частта и от кои посоки, и след това да оставят софтуера да започне да експериментира как елементът може да свърши работата си максимално ефективно.

След това софтуерът започва да итерира, променяйки нещата малко по малко, подобно на случайните мутации, които изпробват нови комбинации от ДНК, и да ги тества спрямо необходимите цели за ефективност, подобно на живота, който тества своите ДНК мутации. В продължение на милиони поколения софтуерът добавя малко метал тук, премахва малко там и проверява дали частта е по-здрава или по-слаба, по-лека или по-тежка от своите предшественици.

В рамките на изненадващо кратко време (няколко часа, ако има достъп до мощна обработка в облак), елементът се връща с форми, които хората никога не биха могли да проектират директно. Но те поразително приличат на произведенията на природата - там, където трябва да се справи с по-голямо напрежение, елементът постепенно става по-дебел. Там, където напрежението е по-малко, става по-тънък. Поддържащите структури се губят там, където не са необходими, и се стремят да се изравнят с траекторията на натоварването. И удивително, проектираните елементи започват да изглеждат странно костеливи и органични.

_{Райън Макклеланд е пионер в използването на генеративно проектиране и "еволюирали структури" в НАСА. Кредит: Henry Dennis / NASA}

Инженерът-изследовател от НАСА Райън Макклелънд (Ryan McClelland) разказва, че тези "еволюирали структури" често вършат работата си много по-добре от много по-тежките части, проектирани от човека: "Установихме, че това всъщност намалява риска. След тези анализи на напреженията откриваме, че частите, генерирани от алгоритъма, нямат концентрацията на напрежения, която се получава при човешките конструкции. Напрежението е почти 10 пъти по-ниско, отколкото при частите, произведени от компетентен човек."

Макклелънд е пионер и защитник на използването на генеративното проектиране в НАСА, като демонстрира способността му да намалява теглото на отделни структурни компоненти с цели две трети.

И макар че тази еволюционна техника на изкуствения интелект намира най-пълна изява, когато се комбинира с процесите на 3D принтиране, които ѝ позволяват да проектира форми, които не могат да бъдат произведени по конвенционален начин, изглежда, че на този етап НАСА все още проектира според възможностите на своите частни партньори.

Но процесът осигурява частите в ръка много, много по-бързо от типичния работен процес на проектиране на НАСА.

"Можете да извършите проектирането, анализа и изработката на прототипна част и да я получите само за една седмица", посочва Макклеланд. "Това може да бъде радикално бързо в сравнение с начина, по който сме свикнали да работим."

_{Алуминиеви скелети, проектирани за задната част на телескопа EXCITE, който трябва да бъде изстрелян през 2023 г. Кръстосаните форми му позволяват да устои на значителни сили, идващи откъм центъра. Кредит: Henry Dennis / NASA}

Частите са използвани в широк спектър от проекти - от мисията за връщане на проби от Марс до космически телескопи, космически монитори за времето, планетарни инструменти, балони обсерватории и др. Пример за това са кръстосаните форми по-горе. Те са титанови скелети за задната част на телескопа EXCITE, чието изстрелване е планирано за тази година, и свързват плочата от карбонови влакна, поддържаща главното огледало, с инфрачервен приемник, разположен в алуминиева криогенна камера.

"Имаме няколко области с много сложни изисквания към дизайна", разказва физикът Питър Наглер (Peter Nagler), който работи по проекта EXCITE. "Имаше комбинации от специфични връзки и строги спецификации за натоварване, които се оказаха предизвикателство за нашите проектанти ... Тези материали имат много различни свойства на термично разширение. Трябваше да имаме връзка между тях, която да не натоварва нито един от материалите".

В организация като НАСА, където проектите рядко имат общи части, може да се спечели много повече от персонализирани леки проекти, отколкото от проектиране за масово, евтино производство. Така че тази технология е много подходяща.

"В компания за мотоциклети или автомобили", обяснява Макклеланд, "може да има само един модел на шаси, който ще се произвежда, и тогава ще се произведат само няколко такива. Тук, в НАСА, произвеждаме хиляди части по поръчка всяка година."

Макклелънд много държи да въведе 3D принтирането в процеса, което би могло да ускори нещата още повече и да позволи още по-голямо намаляване на теглото и разходите при този вид поръчкови части. Това ще отключи и възможността за отпечатване на сложни движещи се части - да не говорим за идеята за отпечатване на части в космоса.

"Тези техники биха могли да позволят на НАСА и търговските партньори да изработват в орбита по-големи компоненти, които иначе не биха могли да се поберат в стандартна ракета-носител", отбелязва Маклеланд. "Те биха могли дори да улеснят конструирането на Луната или Марс, като се използват местни материали."

Източник: NASA Turns to AI to Design Mission Hardware, NASA