Success Story

ATK steigert Produktivität bei der Entwicklung der elektrischen Systeme für die Booster des Space-Shuttle-Nachfolgers mit E3

ATK

ATK erhielt von der NASA den Auftrag, die Kabelbäume der Booster-Raketen für den Space-Shuttle-Nachfolger zu entwickeln. Das ATK-Team war dabei deutlich kleiner als das beim mittlerweile eingestellten Ares-I-Projekt. ATK konnte seine Produktivität dank E3.series deutlich steigern und außerdem auf einen Prototyp und ein kostspieliges Prüflabor verzichten.

Tatkräftige Unterstützung für die nächste Generation bemannter Raumfahrt

ATK ist der größte Partner für den neuen Feststoff-Booster des Space Launch System (SLS) der NASA, das das ausgemusterte Space Shuttle ersetzen wird. Das SLS soll Astronauten noch weiter als bisher in den Weltraum befördern und den Grundstein für die zukünftige bemannte Raumfahrt legen. Die NASA plant den ersten unbemannten Testflug vom Kennedy Space Center für 2017. Die erste bemannte Mission ist für 2021 vorgesehen. Die von ATK entwickelten Feststoff-Booster werden an beiden Seiten der ersten Stufe angebracht und sind in den ersten zwei Flugminuten in Betrieb. In dieser Zeit liefern sie etwa 80 % der Schubkraft, die benötigt wird, um die Erdumlaufbahn zu verlassen.

Anschließend werden die Booster abgekoppelt und versinken im Atlantik. ATK führte kürzlich drei erfolgreiche statische Brennversuche mit dem aus fünf Segmenten bestehenden Booster durch, der von der Ares I für das SLS wiederverwendet wurde (Abbildung 1). Der DM-3-Test war der bisher aufwändigste Versuch mit einer Feststoffrakete in der Geschichte der NASA: Mithilfe von über 970 Sensoren wurden die 37 Testziele überprüft. Alle Ziele wurden erreicht. Mit den erfolgreich absolvierten DM-3- Tests wurde die Phase „Preliminary Design Review (PDR)“ des Boosters termingerecht im Zeitplan für den Start 2017 abgeschlossen. Der SLS-Booster von ATK nähert sich jetzt der Phase „Critical Design Review (CDR)“, die nach der nächsten statischen Versuchsreihe beginnt.

Ares I
Abbildung1: Ares I

Ergebnisse

  • Da die Entwicklungsergebnisse des Vorgängerprojekts durch neue Anforderungen nicht weiterverwendet werden konnten, stellte sich ATK der Herausforderung, von  einem klassischen auf einen digitalen Prozess umzustellen.
  • Integration von ECAD- und MCAD-System in Siemens Teamcenter
  • Enorme Zeitersparnis durch automatische Prüfungen 

Nathan HolyoakDie Projektzeit wurde von Monaten auf Wochen reduziert. Dadurch ist ATK nicht nur wettbewerbsfähiger geworden, sondern konnte auch die Geschäftsbeziehung als NASA-Partner festigen. Wir konnten Kosten einsparen und können uns darauf verlassen, dass unsere Designs fehlerfrei sind. Zuken hat uns als außergewöhnlicher Partner die ganze Zeit mit Rat und Tat zur Seite gestanden.

Nathan Holyoak, Engineer PLM Processes bei ATK

 

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Klassischer Ansatz

Die von Raketentriebwerken angetriebenen Trägerraketen zeichnen sich durch eine sehr hohe Beschleunigung und ein äußerst komplexes Lenksystem aus. Zum Vergleich möge man sich vorstellen, die Kontrolle über einen PKW zu behalten, dessen Tempomat auf eine Geschwindigkeit von 27.000 km/h eingestellt ist. „Wir haben bei der Entwicklung der Verkabelung des Ares-I-Boosters einen klassischen Ansatz verfolgt“, sagt Nathan Holyoak, Engineer PLM Processes bei ATK. Die Trägerrakete Ares I ist in Abbildung 1 gezeigt. Abbildung 2 zeigt den originalgetreuen Nachbau der ersten Stufe der Ares mit integrierten Komponenten. Die Kabelführungen wurden von den Technikern mithilfe von Seilen simuliert. Holzkisten dienten als Ersatz für elektronische Bauteile. Durch die Verwendung von Seilen unterschiedlicher Dicke ließ sich ermitteln, wie viele Kabel in einem bestimmten Bereich untergebracht werden konnten. Diese Daten wurden dann in einer umfangreichen Excel-Tabelle erfasst, in der Informationen zu jedem Kabel hinterlegt waren und die als Grundlage für verschiedene Berechnungen galt, z. B. für Spannungsabfallanalysen. Die Schaltbilder wurden mithilfe von Microsoft Visio erstellt. MCAD-Zeichnungen wurden mit dem “CAD-System Siemens NX mithilfe eines Zugelement entlang einer Spline-Kurve mit festem Durchmesser (oft auch als Platzhalter bezeichnet) erstellt. Außerdem baute ATK ein Testlabor mit speziellen Prüfsystemen, um verschiedene Simulationen und Analysen an den Kabelbäumen durchführen zu können. Im Anschluss an die Prüfung wurden dann die Prototypen entwickelt

Mehrere Entwickler waren in Vollzeit damit beschäftigt, den Prototyp auf dem neuesten Stand zu halten. Die verwendete Excel-Tabelle war so groß und komplex, dass auch hier für die Datenverwaltung viele Ressourcen benötigt wurden“, erinnert sich Holyoak. „Es war sehr schwierig sicherzustellen, dass die Tabelleneinträge richtig und aktuell waren. Also wurde noch mehr Zeit darauf verwendet, die Messungen und Berechnungen immer wieder zu wiederholen. Die MCADZeichnungen zeigten zwar schöne Bilder von Kabelbäumen, enthielten aber keinerlei Angaben zu deren Funktionalität. Das manuelle Erstellen der Schaltpläne und Zeichnungen mit Visio war ein langwieriger Prozess. Jede Änderung war ebenso zeitintensiv. Zusätzlich zur ineffektiven Arbeit am Prototyp fehlte eine präzise Nagelbrettdokumentation in elektronischer Form, sodass die Herstellungskosten der Kabelbäume enorm hoch waren. Hinzu kam der nicht für alle beteiligten Teams zentrale Standort des Prototyps. Dadurch waren oft lange Fahrten notwendig.“

Richtungswechsel bei der NASA

ATK und die NASA wollten die Erfahrungen des Ares-I-Projekts auch für das SLS nutzen. Die Konstruktionen der SLS und der Ares wichen jedoch so stark voneinander ab, dass die Verkabelung vollkommen neu entwickelt werden musste. Im Rahmen des Vertrags für den SLS-Booster wurde ATK mit dem Testen und mit der Lieferung neuer Booster-Raketen mit einem deutlich kleineren Team als beim Ares-IProjekt beauftragt.

„Als die NASA uns von dem geplanten Richtungswechsel berichtete, mussten wir feststellen, dass unsere hohen Investitionen plötzlich fast wertlos waren. Das hat uns die Augen geöffnet“, erzählt Holyoak. „Obwohl die SLS-Booster auf dem Ares-Design aufsetzen, sind die Unterschiede doch so groß, dass wir noch einmal von Null anfangen und einen neuen Prototypen, neue Verbindungstabellen und neue Zeichnungen entwerfen mussten. Wir konnten nur wenig vom Vorprojekt wiederverwenden. Außerdem wussten wir, dass unsere bisherige Herangehensweise sehr arbeitsaufwändig war. Da das neue Projekt vom Umfang her ähnlich war, aber mit weniger Mitarbeitern bewerkstelligt werden musste, wussten wir, dass wir unseren Prozess möglichst schnell optimieren mussten.“

Digitaler Ansatz

„Wir haben uns dann entschieden, einen schnelleren digitalen Ansatz zu entwickeln, der in Sachen Änderungen flexibler ist“, so Holyoak weiter. „Also haben wir unsere Anforderungen an ein ECAD-System zusammengestellt, das sowohl logisch als auch funktional sein sollte. Die Kommunikation mit unserem MCAD-System musste gegeben sein, damit wir schnell bestimmen konnten, ob ein Kabel passt oder nicht und seine Länge ohne einen Prototyp ermitteln konnten. Außerdem sollte das ECAD-System in das MCAD-System integriert sein, und die Ergebnisse sollten einer Zugriffskontrolle unterliegen. Nur entsprechend berechtigte Benutzer sollten Änderungen vornehmen dürfen, und die Änderungshistorie musste nachverfolgbar sein. E³.series hat alle Anforderungen erfüllt. Daher haben wir uns für diese Lösung entschieden.“

Abbildungen 3, 4 und 5 zeigen typische MCAD- und ECADZeichnungen.

ATK hat gemeinsam mit Experten von Zuken und Siemens PLM beide Softwarepakete mithilfe der E³.3D Routing Bridge von Zuken integriert. Die Kommunikation erfolgt über das PLXML-Format. In der NX-Bibliothek wurden über 3.000 neue oder modifizierte Bauteile erstellt und geprüft, um zu gewährleisten, dass die Bibliotheken synchronisiert sind. Die Ausgaben von E³.series und Siemens NX werden über Siemens Teamcenter freigegeben und verwaltet. Dort werden auch die freigegebenen Entwicklungsdaten abgelegt.

Bei jeder Platzierung einer Komponente in E³.series werden Daten erzeugt, durch die sich viele der nachgelagerten Aufgaben automatisieren ließen, die bisher manuell durchgeführt wurden. E³.series hat im gesamten Projekt für die Konsistenz zwischen logischer und physischer Entwicklung gesorgt. Das System prüft die Konsistenz der Stecker. So wurde beispielsweise sichergestellt, dass Steckerverbindungen passen und die Pinanzahl der Anzahl der in der Baugruppe vorhandenen Drähte entspricht. In E³.series sind die im Projekt verwendeten Komponenten automatisch enthalten. Siemens NX berechnete die Drahtlängen und übergab die Daten an E³.series. Dort wurde dann der Spannungsabfall für die Kabel errechnet. Anstelle manuell erstellter Zeichnungen waren die Entwickler nun in der Lage, mit geringem Aufwand verschiedene Ansichten der Kabelbäume für die Nagelbrettzeichnung oder zu Dokumentationszwecken zu erstellen.

Bessere Ergebnisse trotz weniger Ressourcen

Mock-up Ares I booster
Abbildung 2: Prototyp des Ares-I-Boosters

„Früher haben viele Mitarbeiter sehr hart arbeiten müssen“, erinnert sich Holyoak. „Heute arbeiten wir mit deutlich weniger Personal, das dank der Integration beeindruckende Ergebnisse erzielt. Die Elektrokonstrukteure geben ihre Anforderungen ein, und die Software sorgt dafür, dass diese erfüllt werden. Tritt ein Problem auf, muss der Entwickler in E³.series lediglich auf ein Signal klicken, um den Signalweg im Design zu verfolgen. Der Zeitaufwand ist hier also deutlich geringer. Da es ein logisches und ein physisches Modell gibt, müssen die Entwickler nicht mehr zum Standort des Prototypen fahren – eine weitere Zeitersparnis. Die Modelle werden jetzt einfach am Bildschirm angezeigt. Aufgrund der automatisch von der Software durchgeführten Prüfungen steigt das Vertrauen in das Design. Wir sparen viel Zeit, die früher in die ständigen Nachkontrollen gesteckt wurde. Wir haben auch unsere Zulieferer gefragt, was die Herstellung der Nagelbretter kosten würde, wenn wir die elektronische Dokumentation dafür bereitstellen. Obwohl wir zusätzliche Informationen wie überlappende Umflechtungen zu den Zeichnungen hinzufügen müssen, sind die Einsparungen im Vergleich zu den ursprünglichen Kosten enorm.“

MCAD Drawing in Siemens NX
Abbildung 3: Typische MCAD-Zeichnung in Siemens NX

Die Kabel für das komplette SLS-Programm wurden mit E³.series und Siemens NX ganz ohne physisches Modell entwickelt. Das Prototypenlabor wurde geschlossen. Auch das Testlabor wurde nicht mehr benötigt, da die Prüfung automatisch in E³.series erfolgte. Es wurde in ein Messlabor umfunktioniert. Der Umfang des SLS-Projekts gleicht dem des Ares-I-Projekts und wurde in etwa der gleichen Zeit, jedoch mit viel weniger Ressourcen abgewickelt.

„Heute erhalten wir Anfragen für verschiedene Booster-Konfigurationen“, berichtet Holyoak. „Früher hätten wir vermutlich Monate für die Entwicklung der Kabelbäume oder die Zustimmung zu einer Machbarkeitsstudie gebraucht. Jetzt ist das in wenigen Wochen möglich, indem wir das bestehende Modell kopieren und die entsprechenden Änderungen vornehmen. Die Projektzeit wurde von Monaten auf Wochen reduziert. Durch diese Zeitersparnis ist ATK nicht nur wettbewerbsfähiger geworden, sondern konnte auch die Geschäftsbeziehung als NASA-Partner festigen. Wir konnten Kosten einsparen und können uns darauf verlassen, dass unsere Designs fehlerfrei sind. Zuken ist ein außergewöhnlicher Partner und hat uns die ganze Zeit mit Rat und Tat zur Seite gestanden.“

 

MCAD drawing
Abbildung 4: Typische MCAD-Zeichnung in Siemens NX
ECAD Drawing
Abbildung 5: Typische ECAD-Zeichnung in E3.series

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