Les nouvelles exigences de la NASA pour la conception des engins spatiaux
Avec l’introduction de la nouvelle norme technique de la NASA, la NASA-STD-5002B, pour l’analyse des engins spatiaux et des charges utiles, l’étape de planification des essais devient essentielle dans le processus de conception des engins spatiaux.
En particulier, la Section 4.9.1 « Analyse pré-test » ajoute une exigence de vérification pré-test pour les analyses d’orthogonalité de masse et les critères d’auto-orthogonalité afin d’assurer la précision des modèles réduits.
Au-delà du risque de non-conformité, les entreprises qui ne suivent pas les nouvelles normes de la NASA utilisent des méthodes de travail moins efficaces, ce qui les rend moins compétitives sur le marché spatial.
L’espace : de l’exploration à l’exploitation
Le marché spatial a connu des changements significatifs ces dernières années, passant de l’exploration à l’exploitation. La rentabilité commerciale est désormais le moteur de l’économie spatiale, avec un accent particulier sur les technologies réutilisables, des cycles de développement de plus en plus courts et des objectifs de prix agressifs. Ce sont autant de facteurs qui poussent les entreprises à remplacer une partie des essais physiques par la simulation numérique.
Quelles sont les implications pour la conception des engins spatiaux ?
- Méthodologies de travail flexibles.
- Cycles de développement courts.
- Prix plus bas.
Les essais structurels des engins spatiaux sont coûteux, critiques pour les échéanciers et difficiles à répéter. Lorsque le matériel atteint le banc d’essai, les ingénieurs doivent être confiants que l’essai modal prévu générera les données permettant de corréler les modèles d’éléments finis utilisés pour la conception.
Expertise dans le domaine
L’expertise technique industrielle de Maya HTT couvre de nombreux domaines dont la simulation d’engins spatiaux. Nous savons ce qui peut mal se passer et pouvons vous aider à préparer vos essais.
Une mauvaise disposition des capteurs peut conduire à une faible observabilité modale, une corrélation non concluante et des décisions coûteuses (comme la nécessité de répéter les essais).
- Les pratiques de planification pré-test en amont usuelles peuvent retarder le programme de plusieurs semaines et aboutir à des dépenses imprévues.
- L’analyse AutoMAC ne peut pas garantir à elle seule un essai efficace. Une analyse plus complète est nécessaire, et est désormais exigé par la spécification NASA-STD-5002B.
En utilisant des logiciels à la pointe de la technologie pour la simulation de pré-test, la corrélation et la mise à jour des modèles, vous pouvez réduire le risque de répétition couteuse des essais tout en respectant la dernière norme d’analyse des engins spatiaux et des charges utiles de la NASA.
Pour toutes ces activités, nos experts sont disponibles pour vous aider.
La problématique des diagnostics pré-test
En ce qui concerne les diagnostics pré-test, quatre considérations essentielles doivent être abordées :
- Pourquoi le placement des capteurs ne suffit pas à lui seul à garantir un essai modal facile à corréler
- Comment les analyses AutoMAC, d’auto-orthogonalité, de pseudo-orthogonalité et d’orthogonalité croisée identifient chacun des enjeux différents
- Comment interpréter les résultats des analyses d’orthogonalité défaillantes par rapport à la disposition des capteurs, la réduction de la représentation de la masse et la qualité de la base modale
- Comment utiliser les diagnostics pré-test pour améliorer les plans d’instrumentation avant que le système n’atteigne le banc d’essai
Les vérifications de masse-orthogonalité pré-test sont cruciales car un essai modal ne couvre pas l’intégralité du modèle par Éléments Finis. Il observe la structure uniquement à travers les degrés de liberté (limités) des capteurs.
Le fait que la disposition des capteurs semble raisonnable, géométriquement, ou même qu’elle produise une matrice AutoMAC acceptable ne signifie pas nécessairement que les degrés de liberté sélectionnés pour l’essai conservent l’indépendance des modes cibles lorsqu’ils sont évalués à travers la matrice à masse réduite.
Le diagnostic pré-test répond à une autre question, plus importante : cet essai modal fournira-t-il les données permettant d’obtenir une corrélation fiable du modèle ?
Du positionnement des capteurs à la préparation de l’essai
Pour répondre à cette question, voyons l’exemple suivant d’une antenne d’engin spatial.
Le processus de travail commence par une étude modale par éléments finis. Dans cet exemple, l’article test est un sous-composant d’antenne d’engin spatial modélisé avec Simcenter NASTRAN. Une analyse des modes normaux extrait les vingt premiers modes cibles.
Fig. 1 : Exemple de représentation filaire du modèle d’antenne.
Fig. 2 : Exemple de Modes (1 et 8) du modèle d’antenne.
L’analyse modale montre une participation de masse effective répartie sur les trois directions de translation.
Les capteurs du plan de test doivent permettre de distinguer les modes cibles et fournir une observabilité modale suffisante. Sans cela, l’essai ne permettra qu’une couverture de test limitée, entraînant une faible corrélation entre le modèle réel et le modèle numérique, comme illustré dans le tableau ci-dessous.
| Mode | frequence_hz | mass_eff_x_pourcent | mass_eff_y_pourcent | mass_eff_z_pourcent | mass_eff_pourcent |
| 1 | 62.74483871 | 0.000446219 | 2.081454576 | 2.941845102 | 5.023745897 |
| 2 | 77.72774506 | 2.083181437 | 0.000186762 | 2.940725097 | 5.024093297 |
| 3 | 96.54924011 | 0.590213956 | 0.540761881 | 3.852583949 | 4.983559786 |
| 4 | 135.5568695 | 0.427739325 | 1.248315579 | 3.328246178 | 5.004301082 |
| 5 | 135.718338 | 0.230741657 | 2.671207743 | 2.151281336 | 5.053230736 |
| … | |||||
| 15 | 250.7327881 | 1.781826801 | 0.344090554 | 2.857635504 | 4.983552859 |
| 16 | 251.076828 | 1.653143406 | 0.47579126 | 2.855593021 | 4.984527687 |
| 17 | 300.6558228 | 0.740236564 | 0.71739503 | 3.524399358 | 4.982030952 |
| 18 | 301.4995728 | 0.770613323 | 0.708717722 | 3.502926195 | 4.98225724 |
| 19 | 314.1859131 | 2.48424521 | 2.479744819 | 0.020483371 | 4.984473401 |
| 20 | 344.6026917 | 0.078002923 | 0.040037003 | 4.867033889 | 4.985073814 |
Tableau 1. Participation massive effective selon les trois directions de translation
Par la suite, plusieurs méthodes de positionnement des capteurs sont évaluées en considérant quarante capteurs uniaxiaux.
| Min-MAC & MODMAC | Les capteurs peuvent-ils distinguer chaque mode individuellement? |
| Min-MAC et MODMAC | Les capteurs peuvent-ils distinguer chaque mode individuellement? |
| Indépendance effective avec la matrice d’information de Fisher | Les capteurs peuvent-ils fournir suffisamment d’informations indépendantes pour estimer la base modale cible ? |
| Énergie cinétique modale | Les capteurs sont-ils situés là où la structure bouge réellement ? |
| Indice d’entropie de l’information | Y a-t-il un équilibre entre l’intensité de la réponse et la couverture modale ? |
Tableau 2. Méthodes de placement des capteurs.
Dans notre exemple d’antenne, Min-MAC et MODMAC offrent la meilleure distinction modale.
Ici, la méthode Min-MAC est choisie pour positionner les capteurs et favoriser la validation de masse-orthogonalité. Il est à noter qu’aucune des méthodes présentées ne cible directement la matrice qui influence l’orthogonalité de la masse.
Pourquoi la méthode AutoMAC ne suffit pas
Obtenir une matrice AutoMAC diagonale est une première étape importante, mais ce n’est pas la fin de la validation pré-test. La matrice AutoMAC montre si les modes cibles peuvent être identifiés avec les degrés de liberté sélectionnés du capteur. Cependant, cela ne prouve pas pleinement que l’opérateur de masse réduite et les degrés de liberté conservés préservent l’indépendance modale pour la corrélation.
Fig. 3 : Matrice AutoMAC pour la méthode MIN-MAC pour l’ensemble de capteurs sélectionné.
C’est à cette étape que la validation de l’orthogonalité de masse devient essentielle.
L’objectif de la norme NASA-STD-5002B est d’obtenir une matrice d’orthogonalité identitaire. Les coefficients diagonaux doivent être proches d’un, et les coefficients extradiagonaux doivent être petits. Le fait d’avoir des termes extradiagonaux proches de zéro indique que les modes sont distincts. Si ces termes ont une valeur importante, il y un couplage entre les modes ou des ambiguïtés. Enfin, le fait d’avoir des valeurs diagonales faibles indique qu’un mode est mal représenté par les degrés de liberté sélectionnés.
Trois analyses complémentaires sont utilisées : l’auto-orthogonalité, la pseudo-orthogonalité et l’orthogonalité croisée.
| Métrique | Raison possible de l’échec | Quoi évaluer ou modifier |
| Auto-orthogonalité | Les Degrés De Liberté (DDL) des capteurs ne préservent pas suffisamment l’indépendance modale, ou la matrice analytique réduite ne représente pas avec précision les DDL de test conservés. | Positionnement du capteur, observabilité modale des DDL choisis, configuration de réduction de Guyan, choix des DDL conservés et extraction de matrice de masse réduite. |
| Pseudo-orthogonalité | La base modale réduite de l’ensemble A n’est pas correctement normalisée en masse ou les DDL sélectionnés introduisent une incohérence dans les modes réduits. | Extraction de l’ensemble A, génération des vecteurs propres réduits, normalisation de masse, cartographie des DDL sélectionnés et assemblage du modèle réduit. |
| Orthogonalité croisée | La base réduite ne représente pas correctement les mêmes modes physiques que le modèle Éléments Finis non réduit, souvent en raison d’erreurs d’appariement des modes, du mélange des modes ou d’une capture insuffisante des modes couplés. | L’appariement des modes, les modes rapprochés, la couverture des capteurs près des antinœuds modaux, la sélection des DDL. Il est recommandé de régénérer ou d’affiner la base modale réduite. |
Tableau 3. Évaluation des analyses complémentaires.
Cette dernière vérification est particulièrement importante car elle peut révéler des problèmes d’appariement des modes, des mélanges de modes ou des incompatibilités de réduction qui ne sont pas évidentes uniquement avec l’analyse AutoMAC.
Dans l’exemple de l’antenne, l’orthogonalité croisée ne remplit pas les critères visés. La matrice indique que certains modes ne sont pas représentés proprement par les capteurs sélectionnés et la base modale réduite. La présence de modes rapprochés ou couplés peut nécessiter l’ajout ou le repositionnement de capteurs ou des modifications des DDL sélectionnés, ce qui entraîne des retards et des coûts d’essais supplémentaires.
C’est là que réside la valeur du processus de travail proposé : identifier un risque de corrélation entre les essais et la simulation numérique avant que l’essai modal ne soit effectué.
Fig. 4 : Matrice d’orthogonalité croisée. Enjeux identifiés par l’analyse orthogonale croisée : pic |hors diagonal| 0,842 aux modes 12 / 11 dépasse 0,20 ; minimum |diagonal| 0,407 en mode 11 est inférieur à 0,80.
Diagnostics exploitables pour les ingénieurs
Le résultat de la méthode de travail proposée n’est pas simplement « succès » ou « échec ». La méthode décrite fournit des diagnostics exploitables clairs permettant de préparer l’essai modal avec succès.
Dans l’exemple de l’antenne, la recommandation pratique est d’ajouter ou de repositionner des capteurs près des anti-nœuds des modes faiblement représentés, d’améliorer l’identification des paires de modes rapprochées, de régénérer la base réduite, et de répéter les vérifications d’orthogonalité avant de finaliser le plan de test.
Comment se conformer à la norme NASA-STD-5002B
La réussite d’un essai modal débute avant que l’article de test n’arrive au laboratoire d’essai. Cela commence par une disposition efficace des capteurs, une matrice réduite fiable, et des preuves objectives que les degrés de liberté de test sélectionnés préservent les modes qui comptent. Une mauvaise disposition des capteurs conduit souvent à des essais non concluants et à des décisions coûteuses de répétition des essais qui retardent les programmes.
L’approche présentée ici est une méthode de validation pré-test modal éprouvée, conforme aux normes de la NASA.
L’exemple de l’antenne montre pourquoi l’orthogonalité de masse est importante : bien que le plan de positionnement des capteurs basé sur la méthode Min-MAC ait produit une forte discrimination modale et ait réussi les tests d’auto-orthogonalité et de pseudo-orthogonalité, l’orthogonalité croisée a révélé un mélange des modes et une faible représentation modale qui doivent être corrigés avant l’essai.
La section 4.9.1 a été ajoutée à la norme NASA-STD-5002B pour permettre de détecter les problèmes de modèle réduit/matrice de masse et de forme de mode avant d’investir du temps et des ressources à réaliser les essais modaux, et pour garantir que le modèle réduit soit suffisamment précis pour permettre ultérieurement la corrélation test-analyse et la prédiction des charges.
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