Пространство в рисунках и в облаке: как было Это 65 лет назад и что будет дальше?

Когда Юрий Гагарин улыбнулся в иллюминатор и сказал: «Давай пойдем!», За ним стояла не только ракета Востока, но и тысячи инженеров и их бессонные ночи, расчеты, нарисованные вручную и сгоревшие модели. Давайте посмотрим на то, с чем работали дизайнеры в 1960 -х годах, с чем живут инженеры в 21 -м веке, и какие технологии приведут нас в новую эру - далеко за пределами Луны и Марса.

12 апреля 1961 г. - Дата, после которой человечество прекратилось быть «справедливым» земным видом.

Человеческая раса не имеет будущего, если она не пойдет в космос -Стивен Хокинг

Тогда пространство было не просто границей науки - это была область героизма. Все было сделано впервые, методом проб и ошибок и под уплотнением секретности.

С тех пор прошло более 60 лет, и мы вошли в цифровую эпоху. Сегодня инженер с ноутбуком может запускать спутники из кафе в Калифорнии, а дизайн космического корабля больше похож на стартап, чем на военный проект. Вместо рисунков есть 3D -модели. Вместо ручных расчетов в облаке есть симуляции. Но некоторые вещи не изменились.

Как они разработали «тогда»: рисунки, правители и гений

Константин Эдуардович впечатлил меня своей верой в возможность космических путешествий, и я оставил его с одной мыслью - чтобы построить ракет и летать на них - Сергей Королев на его встрече с Циолковским

Москва, конец 1950 -х годов. На улице зима, но в OKB-1 горячая. Буквально: они обнимаются по часам, комнаты редко вентилируются, а окна покрыты газетами, потому что это «классифицированный объект». Коридоры заполнены инженерами, несущими стопки чертежей, а чертежные доски покрыты миллионами линий. Здесь они разрабатывают то, что никто в мире не делал раньше: спутники, ракеты и многоразовый космический корабль.

Почти каждый сотрудник OKB молод, за тридцать. У них нет Google, но у них есть цаги, институты, столы с коэффициентами и вера, что через шесть месяцев все будет летать. Королев лично проходит мастерские и гостиные. Он молчаливый, скучный от похвалы, но если он ругает кого -то, они помнят это навсегда.

Он не звонит инженерам по их фамилиям, но по их рисункам: «Кто сделал расчет № 314?» - И вот и все, ты в игре.

Чертежная доска и бумага для рисования

Чертежная доска - это вертикальная таблица рисования с фиксированным линейкой, которая позволяет рисовать линии под правильным углом. Ни один инженер -дизайн не мог бы обойтись без него. Чертежи были созданы на чертежной доске по шкале 1: 1 или 1:10 - часто размером с дверь. Нарисование на бумаге размером с A0 может занять несколько дней, а иногда и недель.

В отличие от современных программ САПР, где элементы могут быть перемещены за считанные секунды, любое изменение на бумаге требовало полной переработки секции. Одна ошибка и работа целой недели пройдут впустую. Поэтому дизайн был не просто точным - он был медитативным.

Логарифмический правитель

Инструмент, который сегодня можно увидеть только в музеях или фильмах. Это аналоговый калькулятор, который позволяет умножать, разделять, извлекать корни и рассчитывать тригонометрические функции, используя скользящую шкалу. И без единой батареи!

Интересный факт.В 1961 году у Гагарина не было ноутбука на борту Vostok-1, а правило слайда и таблицы расчетов-в случае провалов автоматических систем. Правило слайдов было полезно не только в проектном бюро, но и во время полета.

Физические модели

Каждый космический корабль был впервые построен в «реальной жизни» - по шкале 1: 1 из фанеры, гипса, алюминия и даже картон. Они проверили, как будут размещены инструменты, как космонавт будет взобраться в люк и куда положить поручни.

Такие модели не были дешевыми, но они были необходимы: в отсутствие 3D -графики и VR это был единственный способ убедиться, что все действительно «подходит» и «работает».

Модель помогла проверить эргономику, доступность инструментов и макет оборудования. Даже длина руки космонавта была принята во внимание вручную, чтобы он мог достичь правильной кнопки.

Ручные расчеты

Все баллистические, аэродинамические и тепловые расчеты были выполнены вручную - на листах бумаги, в ноутбуках и на спинах рисунков. В конце 1950 -х годов начали использоваться компьютеры (такие как MESM и BESM), но их возможности были недостаточными, и они были доступны только в нескольких институтах страны.

В 1957 году группа из 20–30 человек, работающих одновременно, использовалась для расчета одной траектории полета - своего рода «живой Excel».

Страх. Ответственность. Катастрофа.

За всем чертежом был не только наука, но и страх. Если вы совершите ошибку, это не сведет. Или, что еще хуже, он взорвется при запуске, как это произошло с R-16 в 1960 году в Байконуре (катастрофа, которая погибло более 70 человек).

Проекты были выполнены под огромным давлением: Кремль потребовал успеха, и США запускали космонавты один за другим. Часто не было места для ошибок, но не было места для «не пытаться».

Временная шкала: от чертежной доски до первых орбит

Все, вероятно, знают все достижения астронавтов США. Но каковы были достижения советских космонавтов? Давайте резюмируем в порядке.

1957-первый искусственный спутник Земли (Sputnik-1)

• Разработано вручную в дизайнерском бюро Королева.
• Они использовали платы, абакулы и логарифмические правители.
• Тело представляло собой алюминиевую сферу с четырьмя антеннами.
• Подготовка заняла два года, а устройство весило 83,6 кг.

1961-первый человек в космосе (Юрий Гагарин, Восток-1)

• Плата салона была протестирована на полноразмерных фанерных моделях.
• Траектория была рассчитана вручную с помощью компьютера BESM-2.
• Капсула содержала правило слайда и набор таблиц для ручных расчетов.
• Время полета составило 108 минут, но на подготовку потребовалось более четырех лет.

1965-Первый космос (Леонов, Вошход-2)

• Комбинация инженерного подвига и риска: скафандский костюм надулся в вакууме, люк забил.
• Дизайн проводился в строгой секретности, а шлемы были собраны вручную.
• Один из прототипов скафона был изготовлен из прорезиненного материала, разработанного для костюмов для погружения.

1969-Лунная программа N1-L3

• Создание очень тяжелой ракеты N1 было проведено в спешке.
• Из-за отсутствия испытательной базы были заброшены полномасштабные пожарные испытания этапов.
• Проектные работы проводились параллельно с производством, часто без финальной версии в руках.
• Все четыре запуска N1 закончились неудачей.

1975-Объединенная миссия Союз-Аполло

• Первый проект, включающий международное сотрудничество.
• Необходимо разработать совместимую систему стыковки - все было создано с нуля.
• Американские и советские стандарты использовались - и на собраниях присутствовали десятки переводчиков.

1986 - начало строительства орбитальной станции miR

• Первая многомодульная станция, разработка заняла более 10 лет.
• Модульный принцип был применен в первый раз: структура была разработана по частям с учетом будущих стыков.
• Расчеты были выполнены как вручную, так и на советских суперкомпьютерах (например, Эльбрус).

Как дизайн делается сегодня: цифровой, ИИ и облако

Сегодня дизайнерский отдел может выглядеть как открытое пространство с белыми столами, ноутбуками и гарнитурами VR. Вместо того, чтобы рисовать бумагу, в программе CAD есть 3D -модель. Вместо рисунков на графической бумаге в ANSYS или OpenFOAM наблюдается аэродинамическое моделирование. И вместо аргументов на чертежной доске есть встречи на встрече.

Пространство стало цифровым!

Оборудование, методы и самый подход к проектированию радикально изменился за последние 20 лет. Инженеры больше не работают в одиночку, но в сочетании с алгоритмами: проект может быть частично создан автоматически, протестирован в облаке и усовершенствован с помощью ИИ.

Это больше не отрасль - это распределенная экосистема, где инженеры, математики, разработчики и даже дизайнеры собирают космические корабля, как iPhone.

Рекламные программы и системы PLM: цифровые платы и память

Сегодня создание космического корабля начинается не на бумаге, а на экране. Современные программы CAD (компьютерный дизайн)-это не только 3D-платы рисования. Это полноценные цифровые семинары, где вы можете «собрать» весь космический корабль вниз до последнего винта, указывать материалы, нагрузки, поведение вибрации и даже пропустить полет через симулятор гравитации Марса.

Catia, SolidWorks, Autodesk Inventor, Siemens NX - В этих средах дизайнеры работают с частями так же, как дизайнеры работают с формами на фигме: они перетаскивают, изменяют и проверяют совместимость. Любое изменение немедленно влияет на соседние компоненты: изменить форму антенны, и программа будет пересматривать центр масс, нагрузку на тело и даже предположить, где она может теперь мешать тепловой защите.

PLM (управление жизненным циклом продукта) похожа на GitHub, но для физики и сборки. Да, есть такая вещь.

Система отслеживает весь жизненный цикл компонента: кто его создал, кто его одобрил, который заказал его у подрядчика, и как он выполнялся при тестировании. Один болт - сто кусочков метаданных.

В Airbus Defense & Space конструкция спутникового состава полностью выполняется в Catia. Все изменения записаны в системе Enovia PLM. Если инженер во Франции изменит длину кабеля, сборщики в Великобритании и логистики в Индии узнают об этом через секунду.

SpaceX пошел еще дальше - они разработали свою собственную систему САПР, которая интегрируется с производственным оборудованием. Инженер меняет модель, и новые инструкции немедленно загружаются в машину ЧПУ. Минимальная бюрократия, максимальная скорость.

ИИ и генеративный дизайн: когда программа «изобретает» дизайн

Генеративный дизайн - это подход, при котором ИИ предлагает десятки или сотни вариантов проектирования на основе указанных параметров: «Он должен держать 12 тонн, весить не более 100 кг, а не резонировать при 1000 Гц и соответствовать диаметру 80 см».

Алгоритмы просеивают тысячи комбинаций материалов, форм, ребер, отверстий и решетчатых структур, с которыми человек никогда не сможет справиться за всю жизнь. Результатом является удивительно органические дизайны, которые напоминают кости или крылья насекомых. Но они работают - и, как правило, они на 30–50% легче, чем те, которые сделаны вручную.

В Planet Labs (которые производят мини-сателлиты для мониторинга земли), генеративный дизайн снизил вес поддерживающей фермы спутника на 35%, сохраняя при этом прочность и экономит сотни тысяч долларов на каждом запуске.

ИИ также используется для:

• автоматическое размещение компонентов (так что они не мешают друг другу);
• Расчет траектории (особенно для гравитационных маневров);
• Прогнозирование износа и отказа оборудования (прогнозное обслуживание).

Очаровательный? Это!

Облачное моделирование и тестирование: испытательные скамейки перешли в центры обработки данных

В эпоху «бумаги» аэродинамика была протестирована в ветряных туннелях, термических условиях в печи и холодильниках, а также на электромагнитных полях на специальной антенне за бетонной стенкой. Сегодня все это заменяется цифровыми симуляциями.

Инженер загружает модель в облачный сервис (например, Ansys Cloud, Simscale, AWS HPC) и запускает ее:

• «Что произойдет, если устройство перегревается на орбите?»
• «Как хранится корпус на резонансе 400 Гц?»
• «Где будут зоны перегрузки во время запуска Falcon 9?»

Все это смоделировано в течение нескольких часов. Параметры могут быть изменены на лету, можно сравнить сотни опционов, и можно найти оптимальный.

Тест, который занял бы три месяца, две тонны макетов и кубический метр рисунков в 1970-х годах, теперь можно сделать на ночь на сервере где-то в Вирджинии.

3D -печать: сначала распечатайте, затем подумайте о том, как собрать

Технология аддитивного производства (он же 3D -печать) быстро вошла в космическую промышленность. Принтеры уже печатаются:

• топливные баки;
• ракетные форсунки;
• Сложные элементы радиатора;
• Формины с нагрузкой и даже ... двигатели!

В отличие от традиционного фрезерования, печать позволяет вам создавать геометрически сложные элементы без приклеивания, сварки или избыточного веса.

Например, пространство относительности отпечатает 95% своей терранской ракеты. Это не только сокращает время сборки в 10, но и упрощает логистику: меньше частей означает большую надежность.

Глобальные команды: дизайн без границ

Дизайн спутника или ракеты может быть выполнен на трех континентах одновременно. Архитектура в Германии, энергетические системы в Китае, Ассамблея в Техасе. Например, все это координируется через цифровые платформы:

• Zoom и Google встречаются для ежедневных встреч.
• Джира и понятие для отслеживания задач.
• Git и gitlab для документации и кода.
• Фигма и Миро для создания интерфейсов и визуализаций.

Это не просто удобно - это очень быстро. Принимая во внимание, что ранее, сегодня потребовались недели, чтобы завершить рисунок, такой комментарий, как «Move the Antenna 3 мм», отправляется на одобрение и подтверждается за 10 минут.

Что дальше: автоматизация, генеративный дизайн и пространство по подписке

Если инженер в 1960 -х годах был героем с карандашом, то инженер в 2030 -х годах больше похож на архитектора, который устанавливает параметры. Он не рисует каждую гайку и болт; Он запускает процесс: «Я хочу орбитальный спутник 200 кг, который может противостоять радиации и передавать 1,2 ТБ данных в день». Все остальное делается компьютером.

Пространство становится цифровым не только на этапе дизайна, но и в самой своей сущности. В ближайшие годы отрасль изменится еще быстрее. Вот несколько тенденций, которые уже находятся на горизонте:

• Помощники искусственного интеллекта будут автоматизировать расчеты, предлагать оптимальные конструкции и тестировать десятки вариантов проектирования перед сборкой. Инженер устанавливает параметры - алгоритм делает все остальное.

• Генеративный дизайн следующего поколения-устройства не будут «нарисованы», но будут буквально расти в системе, как живой организм, адаптируясь к условиям задачи.

• Пространство по подписке-Спутники и модули могут быть арендованы, настроены онлайн и запущены через платформы в качестве услуги (пространство как услуга).Amazon Kuiper, Starlink и OneWeb уже работают как инфраструктура, а не миссии. Вскоре можно зарезервировать место в космосе, как гостиничный номер. Или слот в облаке.

• Орбитальное производство - конструкции будут собраны и напечатаны непосредственно в космосе. Это позволит создать огромные телескопы, станции и модули без ограничений на размер ракета. НАСА Archinaut One - это спутник с манипулятором, который может печатать и собирать структуры непосредственно на орбите. Первый рейс ожидается в 2026 году.

Очаровательный? Да!

Суммирование

Дизайн космической технологии прошел долгий путь, о котором не могли мечтать инженеры прошлого. От рисования досок до цифровых близнецов в облаке. От фанерных моделей до генеративного дизайна, который находит идеальную форму самостоятельно. От расчетов в ноутбуках до моделирования, работающих в центрах обработки данных Amazon.

Но суть остается прежней. Инженеры все еще проводят ночь в офисе, проверяя соединения с контрольным списком 283 страниц и выпивая кофе из одноразовых чашек. Только сейчас они сопровождаются не только их коллегами, но и ИИ.

В космосе все еще нет места для ошибок. Одна ошибка означает неудачу миссии. Один недоступный параметр означает, что «вечность» космического корабля превращается в 12-минутный полет. Все так же, как и 60 лет назад. Только сейчас мы знаем это заранее - и мы можем что -то с этим сделать.