ENG
Добавить в избранное
Технологии

Цифровые технологии, которые преобразуют космонавтику

«Исследование имеет основополагающее значение для человеческой природы. Вот почему мы учимся ходить, прежде чем научимся говорить. Потому что мы должны исследовать, чтобы стать хорошо сформированными человеческими существами. И мы должны проводить исследования, будучи частью нашего общества, чтобы быть хорошо сформированным обществом», — говорил командир Крис Хэдфилд, первый канадский астронавт, совершивший выход в открытый космос. 

Space 4.0

6 мая 2002 года — день, который, вероятно, прошел незамеченным для большинства из нас. Оглядываясь назад, можно сказать, что он стал поворотным моментом для всей космической отрасли. Эволюция, которая длилась несколько десятилетий, сейчас стремительно набирает обороты. Еще в 1984 году в США президентом Рональдом Рейганом был подписан закон о коммерческих запусках, который открыл возможности частным компаниям участвовать в космической деятельности, очевидно, в четко определенных границах. К тому времени Европейское космическое агентство уже образовало компанию Arianespace как коммерческий спин-офф. Следом за этим в СССР прошла программа приватизации предприятий космической отрасли.

Изменения правил игры, конечно, не вызвали шокового эффекта и не поменяли все в одночасье. Для достижения успеха в космической отрасли требовалось много ноу-хау и капитала, а риски оставались по-прежнему высокими. Космос продолжал оставаться строго регулируемым.

Основанная 6 мая 2002 года компания SpaceX — первая частная компания, которая пошла на риск. Ее основатель Илон Маск был убежден, что, трансформируя классические инженерные подходы и вертикально интегрируя процессы, SpaceX сможет значительно снизить стоимость запуска и тем самым преодолеть основное препятствие для частных компаний на пути в космический бизнес.

Шесть лет спустя, после трех неудачных попыток, когда Маск был близок к банкротству, система SpaceX Falcon 1 совершила свой первый успешный запуск. Большой шаг для SpaceX и Маска, но прежде всего гигантский скачок для всей частной космической индустрии. Было бы преувеличением сказать, что Маск самостоятельно заложил основы Space 4.0 (Космической индустрии 4.0), но он действительно вызвал ударную волну, которая «порвала» всю индустрию.

Удешевление пусков

Запуск первой частной ракеты-носителя с жидкостным ракетным двигателем на орбиту, очевидно, сам по себе является большим достижением. Вдобавок ко всему компания сделала нечто очень простое, чего раньше не делалось: опубликовала свои цены. Это позволило другим частным компаниям составить бизнес-планы и инвестиционные предложения с реальными цифрами и четким представлением о прибыли. Это стало серьезным вызовом для всей отрасли, потому что цены на запуск не только стали прозрачными, но неуклонно снижались. SpaceX оказала давление на традиционных поставщиков запусков, снизив стоимость одного запуска на 30% с помощью инновационного решения — возвращаемой первой ступени ракеты Falcon 9. Многие компании, такие как Blue Origin Джеффа Безоса, имеют схожие устремления.

В результате традиционным игрокам и альянсам в сегменте пусковых услуг, которые в основном полагаются на классические дорогостоящие ракетные технологии, придется внедрять новые концепции, чтобы оставаться конкурентоспособными. В этой области придется проделать огромную работу по реинжинирингу, включая многочисленные исследования в части проектирования новых систем, сложных физических процессов и новых принципов двигательных установок, новых процессов разработки и производства, и все это в условиях дефицита времени.

Если выразить снижение цен в цифрах, согласно исследованию Deloitte, стоимость запуска спутников уже снизилась примерно до $60 млн с $200 млн за счет многоразовых ракет с потенциальным снижением до $5 млн.

Демократизация космического пространства

Огромное снижение стоимости пусков и позитивные перспективы в этом отношении также приближают мечту о космическом туризме. Когда-то космос был доступен эксклюзивно для астронавтов, космонавтов и тайконавтов, которые прошли тщательную подготовку; теперь появляются компании, которые готовы предложить своим состоятельным клиентам уникальный опыт, который бывает лишь раз в жизни. Некоторые из них уже активно работают над созданием необходимой инфраструктуры для достижения цели. Среди них есть как крупные игроки, так и стартапы, такие как Inspiration 4, Axiom Space и многие другие.

Недавние успешные пуски частных астронавтов и актеров кино для съемок фильма в космосе — наглядные примеры того, что космический туризм станет обычным явлением, это лишь вопрос времени. Тогда демократизация пространства станет фактом — хотя термин «демократизация», вероятно, неверно отражает тех, кто сможет использовать эту возможность.

Возникает необходимость еще больше снижать затраты и риски; общество не согласится с тем, что гражданские космические туристы будут подвергаться такому же уровню риска, что и астронавты сегодня. Одновременное оптимальное сочетание этих двух, казалось бы, противоречивых требований, затрат и рисков, будет иметь решающее значение для успеха компаний в сегменте. Но технологии уже доступны, и космическая экономика к этому готовится.

Растущие потребности наземной инфраструктуры в космическом сервисе 

Подобно Маску и Безосу, значительная часть предпринимателей, олицетворяющих Космическую индустрию 4.0, приходит из высокотехнологичного бизнеса. У таких компаний, как Google и Facebook, также есть большие амбиции в космической индустрии. И у них хорошие шансы добиться успеха, поскольку их основной опыт является ценным активом. В космической отрасли компании, имеющие опыт объединения множества цифровых технологий, таких как облачные технологии, искусственный интеллект, аддитивное производство и блокчейн, как правило, имеют важное конкурентное преимущество. Эти технологии способствуют созданию более масштабируемых и инновационных бизнес-моделей с подходами, ориентированными на запросы клиентов.

Хорошим примером является стартап Astra Space, соучредителем которого выступает Крис Кемп, ученый-компьютерщик с многолетним опытом в электронной коммерции, разработке ПО для облачных вычислений с открытым кодом и IT, в том числе в NASA. Бизнес компании направлен на извлечение прибыли из ожидаемого тренда на пакетные запуски малых полезных нагрузок, таких как микроспутники, по приемлемой цене.

Чтобы понять, почему предприниматели из хайтек-индустрий внезапно захотели запускать ракеты и строить спутники, мы должны посмотреть, как развивалась динамика в цепочке создания стоимости космических услуг в экономике, основанной на данных (см. Рис.1).

Рис. 1. Эволюция цепочки создания ценности космических услуг
Рис. 1. Эволюция цепочки создания ценности космических услуг.

Восходящее направление Нисходящее направление Конечные потребители
Технологический толчок — приложения
Система и инфраструктура → Обслуживание → Данные и обработка → Передовые продукты и услуги
Формирование спроса/потребности — услуги
Ракета-носитель и системы выведения

Производство, сборка и испытания космического аппарата

Наземный сегмент систем и сетевая инфраструктура (например, спутниковый шлюз, VSAТ и т.п. )

Предоставление пусковых услуг, эксплуатация космического аппарата и наземной инфраструктуры
Данные и спутниковые сервисы (домашний интернет, широкополосный доступ, навигация и т.п. )

Услуги с добавленной ценностью

Пользовательское оборудование (GNSS приемники и чипсеты, спутниковые тарелки и т.п. )
Потребители, индустрия, правительственные и некоммерческие организации

Различные секторы промышленности (энергетика, инфраструктурные, сельское хозяйство, морской флот, оборона и безопасность, услуги, основанные на местоположении)

Все пошло от восходящего направления развития сервисов приложений, за которым следуют нисходящие рынки, к нисходящему направлению развития услуг, где наземные приложения требуют разработки дополнительных космических систем.

Потребности каналов с высокой пропускной способностью, непрерывное подключение, легкий доступ к изображениям Земли, облачные хранилища, глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) и интернет вещей (IoT) — пример того, чем занимаются технологические компании. Эти приложения требуют дешевой, быстрой и надежной инфраструктуры связи. И здесь предпочтительнее спутниковая связь, поскольку она обеспечивает широкий охват и надежный поток данных.

Когда технологические предприниматели приходят в космическую индустрию, это происходит не только потому, что они могут, но и потому что они видят ценность в расширении своей сферы деятельности по вертикали вверх по цепочке создания стоимости. Новые бизнес-модели, такие как наземный сегмент — услуга G Saas, где совместно используются виды деятельности, требующие большого опыта, ресурсов и инфраструктуры, снижают барьер входа. Сегодня существует огромный спрос на спутниковую связь со стороны рынка мобильной связи и со всех других рынков, которые получат выгоду от технологии 5G.

Межпланетные перелеты и освоение дальнего космоса

Космос — это также среда, в которой страны любят демонстрировать технологические достижения. Превосходство в космосе равно мощности державы и ее суверенитета. Исследование глубокого космоса в надежде обнаружить ресурсы или найти ответы на фундаментальные вопросы о нашем месте во Вселенной никогда не прекращалось. Роботизированные космические аппараты облетели все планеты Солнечной системы, а марсоходы и лунные станции продолжают активно собирают информацию, но уже с новым качеством. В течение этого десятилетия гонка за планеты будет продолжаться: запланировано множество миссий, но теперь в другом геополитическом контексте, с участием многих относительно новых игроков и частных компаний, которые маневрируют, чтобы занять свои бизнес-ниши.

Суммируя обозначенные тренды и изменения, можно сказать, что ускоренная приватизация и коммерциализация космоса стала катализатором к развитию Космической индустрии 4.0 и изменила ее ландшафт за очень короткий период. Это создало чрезвычайно плодородную среду для новых применений и амбиций. Объем бизнеса в индустрии растет, и в течение этого десятилетия ожидается огромный рост — вплоть до утроения к 2030 году.

Но как это влияет на приоритеты в разработке продуктов? Как традиционные государственные учреждения могут оставаться актуальными и где есть возможности успешного участия для новичков?

Приоритеты цифровых технологий в разработке космической техники нового поколения

  1. Технологии, позволяющие сократить время, снизить расходы и риски

Государственные учреждения, вероятно, будут испытывать наибольшие трудности при внезапной смене акцента на типичных рыночных приоритетах, таких как время и затраты, особенно в их отношении к риску, что естественно для космической техники, которая, как правило, становится все более требовательной в контексте пилотируемых миссий. В течение десятилетий агентства были сосредоточены на обеспечении превосходства за счет определенных бюджетов. Их основными клиентами были в основном государственные учреждения, такие как министерства обороны, исследовательские институты, крупные поставщики государственных услуг и тому подобное. Нисходящие сервисы, услуги и приложения появились в качестве сопутствующего бизнеса.

Как уже упоминалось, динамика поменялась. В новую космическую эру цену для конечного пользователя диктует бизнес. Для достижения успеха в коммерческом контексте требуются низкие затраты, иной подход к риску и более гибкие, ориентированные на клиента и его потребности, бизнес-модели. Обычно это происходит там, где у традиционных игроков возникают трудности, а новички видят возможности.

Всесторонняя цифровизация будет иметь решающее значение для достижения экономии времени и затрат как на уровне продукта, так и на уровне процессов. Используя цифровой двойник изделия, компании смогут значительно сократить время выхода на рынок за счет сокращения процесса принятия решений, времени разработки и циклов испытаний. Еще большего прироста эффективности можно добиться, меняя подходы в том, как изделия разрабатываются, производятся и используются. Цифровые технологии могут задействовать корпоративные процессы, способствующие автоматизации, массовому производству компонентов, внедрению системных подходов в разработке, развитию возможностей повторного использования, предиктивного обслуживания, сервисов обратной связи с потребителями, аддитивного производства и многому другому. Все эти возможности будут играть решающую роль для компаний и агентств, чтобы быть конкурентоспособными в новую космическую эпоху.

  1. Технологии, позволяющие исследовать инновационные идеи

Движимые коммерческим контекстом, новички часто приносят идеи, которые ставят под сомнение устоявшиеся способы и подходы. В качестве примера можно привести космические системы многоразового использования или попутное выведение большого множества малых спутников. Претворение таких идей в условиях ограничений по времени и затратам требует большой инженерной работы. Это включает в себя определение требований, изучение концепций и возможных конфигураций и архитектур, уточнение проектных параметров, превращение их в реальные продукты и отслеживание их эволюции до конца жизненного цикла.

Поскольку вся эта работа начинается с чистого листа, большая часть должна быть выполнена виртуально и на основе доступных данных. Требуются мощные технические инструменты исследования и масштабируемые методы инженерного анализа и моделирования, а также цифровая платформа, которая соединяет все компоненты жизненного цикла.

Цифровые технологии также несут с собой риски при разработке оборудования в рамках крупных программ освоения космоса. Они обычно начинаются с постановки целей, а не количественного измерения. Глядя на то, что должно произойти до 2030 года, возникает много вопросов «что» и «почему», и еще больше предстоит исследовать, чтобы ответить на вопрос «как».

Космические агентства даже спекулируют на ожидаемой эволюции в различных технологических областях при составлении планов и установлении контрольных сроков. Именно это делает космос чрезвычайно интересной сферой для инженеров; вот почему отрасль всегда находится на переднем крае инноваций. Но требуется сильная цифровая основа, чтобы захватить все идеи, собрать их, смоделировать, разработать вовремя и в рамках бюджета и прослеживать дальше. Инновационные процессы разработки и производства космической техники нового поколения претерпевают два вида трансформации (Рис.2):

  • Трансформацию подходов к тому, как идеи воплощаются в продукты;
  • Трансформацию подходов к тому, как продукт производится.

Рис.2. Цифровая трансформация инновационных процессов разработки и производства
Рис.2. Цифровая трансформация инновационных процессов разработки и производства.

Оба подхода разработки и производства тесно связаны между собой так называемыми «цифровыми нитями» — дискретными, взаимосвязанными, отслеживаемыми последовательностями в жизненном цикле разработки и производства продукта, которые оцифрованы и автоматизированы.

Воплощение инновационных идей в продукты опирается на два базовых подхода: коллективные инновации (или «краудсорсинг») и системно-ориентированную разработку продукта. Краудсо́рсинг (англ. crowdsourcing, от crowd — толпа и sourcing — использование ресурсов) предполагает привлечение к решению тех или иных проблем инновационной производственной деятельности широкого круга лиц для использования их творческих способностей, знаний и опыта по типу субподрядной работы с применением информационных технологий. Генерация идей с использованием краудсорсинга может преодолеть разрыв между стимулированием внутренних инновационных возможностей организаций и выявлением будущих «разрушителей» отрасли.

Системно-ориентированная разработка продукта объединяет разные области разработки изделий (проектирование механических, электрических и программных компонентов) с анализом требований, конфигураций, затрат, надежности и возможности производства. Подход позволяет описать будущее изделие, проинструктировать специалистов и выстроить последующие процессы разработки. Иными словами, это связующий механизм, который объединяет процессы на протяжении всего жизненного цикла изделия.

  1. Технологии, помогающие справиться с новыми сложностями

Большинство космических систем очень сложно по своей природе. Они включают в себя передовые материалы и множество сложных физических явлений. Взять, например, двигательные установки с интеллектуальным управлением режимами работы или роботизированные системы со встроенным искусственным интеллектом. В их разработке задействовано так много параметров, что инженерам необходим цифровой двойник, чтобы хотя бы приблизиться к успеху. В основе цифрового двойника лежат реалистичные, способные к прогнозированию поведенческие модели, используемые для одновременной оптимизации всех аспектов системы с самого начала цикла проектирования.

Более того, поскольку такие системы могут содержать программируемую электронику, они способны развиваться с течением времени. Системы включают в себя множество датчиков, позволяющих дополнительно оптимизировать производительность в процессе работы. Интеллектуальные системы также взаимодействуют друг с другом и внешней средой и передают информацию группе разработки для дальнейшего совершенствования и предиктивного обслуживания. Такое поведение систем требует управления массивным объемом данных и аналитики в цифровом решении, охватывающем весь жизненный цикл продукта.

Кроме того, космические аппараты будут работать в суровых условиях космоса, где действуют другие законы физики, а значит, разработчики сильно ограничены в проведении физических экспериментов. Изделие, покидающее нашу защитную атмосферу, будет подвергаться воздействию различных сил тяжести, экстремальных колебаний температуры, космического излучения и многих других повреждающих воздействий (Рис.3). Любая инженерная работа по созданию новых космических систем должна учитывать эту дополнительную сложность. Технологии или материалы, которые в других отраслях промышленности были бы отмечены как передовые или экзотические, здесь являются стандартом.

Рис.3. Пример моделирования аэродинамического нагрева спускаемого аппарата при входе в плотные слои атмосферы.
Рис.3. Пример моделирования аэродинамического нагрева спускаемого аппарата при входе в плотные слои атмосферы.

Использование подхода цифрового двойника при проектировании и разработке изделий ракетно-космической техники требует высокопроизводительного программного обеспечения для инженерного анализа и моделирования. Только те решения, которые конкретно отвечают типовым сценариям применения космической техники, будут применимы. На рынке существует всего несколько таких решений. По этой причине коммерчески доступное программное обеспечение часто сочетается с собственными инструментами инженерного анализа, добавляя еще один уровень сложности с точки зрения интеграции инструментов.

  1. Технологии, объединяющие распределенные команды соисполнителей

Наконец, космические программы, особенно крупные, предполагают интенсивное сотрудничество между многими заинтересованными сторонами в различных группах, таких как альянсы, партнерства и соисполнители. Все они участвуют в проекте со своими собственными данными, процессами, методами и инструментами (Рис.4). Без надлежащей интеграции в единую цифровую платформу, которая управляет всеми этими данными и устанавливает права пользователей, такое сотрудничество может привести к ошибкам.

Рис.4. Сложная экосистема заказчика и всех исполнителей проекта.
Рис.4. Сложная экосистема заказчика и всех исполнителей проекта.

Одним из примеров драматической ошибки может служить аппарат для изучения марсианского климата Mars Climate Orbiter, запущенный в 1998 году, — миссия стоимостью $327,6 миллиона была просто прервана по прибытии, поскольку связь с космическим аппаратом внезапно оказалась потеряна. Траектория привела аппарат слишком близко к планете; он, по всей вероятности, был разрушен в ее атмосфере. Расследование смогло объяснить сбой несоответствием систем измерений между двумя программными приложениями. НАСА использовало метрическую систему измерений, тогда как изготовитель аппарата — компания Lockheed Martin — имперскую (британскую). Где-то в процессе преобразования что-то пошло не так. Незначительной, казалось бы, ошибки, но с многомиллионными последствиями можно было легко избежать при надлежащем управлении данными в интегрированной цифровой среде.

По сей день управление данными и их интеграция кажутся сложными для предприятий космической отрасли. Accenture провела опрос среди руководителей компаний аэрокосмической и оборонной промышленности и пришла к выводу, что почти 74% из них чувствуют себя сокрушенными объемом доступных данных, поступающих от продуктов и услуг. Чтобы преодолеть эту проблему, они будут все чаще использовать цифровые нити и цифровых двойников. В заключение Accenture делает вывод, что эти технологии могут помочь компаниям использовать данные для получения более ценных инсайтов, улучшения процесса принятия решений и снижения производственных затрат (Рис. 5).

Рис. 5. Что если бы можно было управлять данными в единой цифровой среде.
Рис. 5. Что если бы можно было управлять данными в единой цифровой среде.

Платформа и технологии для цифровой трансформации

Технологии, необходимые для проведения успешной трансформации, можно представить в трех основных группах (Рис. 6.). В первую группу входят технологии, обеспечивающие управление программой разработки, цифровые нити, цифровую преемственность и целостность. Во второй группе — технические инструменты инженерного анализа и создания данных цифрового двойника. Третья группа включает необходимую основу данных и процессов (например, вычислительную инфраструктуру, средства обеспечения безопасности доступа и хранения данных и другое).

Рис.6. Основные технологии для проведения цифровой трансформации.
Рис.6. Основные технологии для проведения цифровой трансформации.

Всеобъемлющая цифровая инфраструктура, в которой все данные, касающиеся различных этапов жизненного цикла продукта, собираются, управляются, обновляются и становятся доступными для всех соответствующих заинтересованных сторон программы, приносит огромную пользу всем участникам программы разработки новой космической системы.

Платформа должна иметь всеобъемлющий цифровой поток информации, начиная с определения требований и заканчивая исследованиями, детальным проектированием, производством, квалификацией, сертификацией и так далее. Это единственный способ сохранить продукт в пространстве, связанном с его первоначальными требованиями, и отслеживать влияние всех решений и действий, которые были предприняты на протяжении всей программы.

Автор: Сергей Кулаков, менеджер по развитию направления «Виртуальные и натурные испытания (TEST)», Siemens Digital Industries Software

Подписывайтесь на канал «Инвест-Форсайта» в «Яндекс.Дзене»

Вам понравился этот текст? Вы можете поддержать наше издание, купив пакет информационных услуг
Загрузка...
Предыдущая статьяСледующая статья