Documentação da EPLAN para um "observatório voador" exclusivo

A aeronave de pesquisa SOFIA está em operação há 8 anos, permitindo uma observação cuidadosa do espaço, registrando a radiação infravermelha. Até agora, a complexa engenharia elétrica deste telescópio exclusivo só estava disponível em papel e na forma de documentos em PDF. A equipe de engenheiros e técnicos do Instituto SOFIA alemão (DSI) da Universidade de Stuttgart agora está usando uma solução EPLAN, adaptada precisamente aos requisitos especiais da pesquisa astronômica fundamental.

A vista é sempre melhor do topo. Este princípio também se aplica à astronomia. Se as pessoas quiserem explorar o universo usando o espectro infravermelho, ganharão pouco na Terra porque os raios infravermelhos não conseguem penetrar no vapor d'água na atmosfera da Terra.

A NASA e o DLR (Centro Aeroespacial Alemão), portanto, colocaram em operação o único "observatório voador" do mundo em 2010. Um Boeing 747 SP foi equipado com um telescópio de 17 toneladas e um espelho com 2,70 metros de diâmetro. Em altitudes de 13 a 14 quilômetros, o telescópio permite insights profundos sobre, por exemplo, a formação de estrelas e sistemas planetários.

A aeronave é conhecida como SOFIA (Observatório Estratosférico de Astronomia Infravermelha) e decola várias vezes por semana de Palmdale, Califórnia, para voos de pesquisa. Os cientistas estão a bordo e já detectaram várias moléculas anteriormente desconhecidas. Eles também são capazes de estudar a formação de estrelas em detalhes. Isso é importante para a pesquisa fundamental, porque nas reações de energia extremamente alta do "nascimento estelar" ocorre a fusão de núcleos atômicos, resultando em novos elementos de maior valor. A fusão nuclear transforma hidrogênio e hélio em átomos novos ou diferentes, como carbono, oxigênio e metais.

Compartilhamento de trabalhos de precisão

Ao operar a SOFIA, a responsabilidade pelas tarefas é estritamente repartida. A NASA / USRA são responsáveis ​​pelos voos e pela aeronave. As operações científicas são realizadas pelo Centro de Operações da Missão Científica SOFIA (SMO) no Centro de Pesquisa Ames da NASA (Mountainview, Califórnia). A DSI desenvolveu o telescópio e é responsável por sua manutenção. Esse compartilhamento de trabalho faz sentido: o telescópio foi fabricado na Alemanha e seu mancal hidrostático e espelho, feitos de Zerodur, fazem dele uma obra-prima da engenharia em tecnologia mecânica e de instrumentos. Ele pode ser alinhado com uma precisão de 0,2 segundos de arco e é montado com tanta precisão que, quando os freios são liberados, os pesos de aproximadamente 8 toneladas podem ser movidos em três dimensões com apenas um dedo. Para se ter uma idéia da precisão de 0,2 segundo de arco, considere que o telescópio pode atingir uma moeda de 1 centavo a 16 quilômetros de distância, usando um laser de uma aeronave voando a 800 km / h de velocidade - análoga a um furacão.

A maioria dos aproximadamente 50 funcionários da DSI trabalham no Centro de Pesquisa de Vôos Armstrong da NASA em Palmdale, onde não apenas realizam tarefas de desenvolvimento e manutenção, mas também apoiam atividades a bordo e preparam novos voos de pesquisa. Isso inclui adaptar a configuração do telescópio a um de um total de seis instrumentos científicos com detectores diferentes para diferentes faixas de ondas, cada um dos quais capta os sinais recebidos pelo telescópio.

Se um defeito ou apenas uma irregularidade ocorrer no telescópio, a equipe de Palmdale entrará imediatamente em ação. Anteriormente, se o defeito dizia respeito aos componentes eletrônicos do telescópio, era necessário acessar esquemas impressos que eram armazenados em prateleiras de arquivos. Simon Beckmann, responsável em conjunto pela eletrônica dos telescópios, diz: "O desenvolvimento de sistemas de telescópios individuais há cerca de vinte anos envolveu muitas empresas especializadas usando diferentes sistemas ECAD. Portanto, toda a documentação elétrica foi entregue em uma variedade de formas em PDFs. solução de problemas sempre foi um desafio ".

Requisito para documentação padronizada suportada por CAD

O exposto acima pode ter sido uma solução pragmática na época, mas, da perspectiva atual, não era de modo algum uma solução prospectiva: um grande esforço foi necessário para o gerenciamento de alterações e revisões. Como a SOFIA continuará seus vôos de pesquisa até 2034, a gerência da DSI decidiu converter toda a documentação elétrica em um sistema padrão de dados. Este projeto foi realizado por Simon Beckmann, que havia trabalhado por vários anos em Palmdale como engenheiro aviônico e, portanto, estava muito familiarizado com a configuração exclusiva do telescópio.

Uma pesquisa de mercado no início do projeto deu um resultado claro: o EPLAN melhor atendeu aos requisitos muito especiais, embora não estivesse fortemente representado na indústria aeroespacial. Segundo Simon Beckmann, o conceito básico desejado era construir um sistema ECAD específico para DSI com base em três pilares igualmente importantes. Portanto, a solução não estava disponível no mercado e deveria ser baseada no EPLAN Electric P8. O software foi totalmente adaptado para a aplicação específica. A TPO Engineering Services GmbH em Crailsheim, Alemanha, foi contratada para implementar o projeto. Isso envolveu não apenas a conversão de dados de projeto heterogêneos em documentação padrão do EPLAN, mas também a incorporação de requisitos gerais e especiais. "Os funcionários da TPO realmente fizeram um trabalho extraordinário", diz Simon Beckmann.

Um sistema sob medida suportado por três pilares

O primeiro dos três pilares do EPLAN é uma ferramenta, chamada DSI Engineering, usada para modificar e redesenhar os componentes elétricos e eletrônicos do sistema do telescópio e do equipamento de teste. O básico aqui inclui uma estrutura padronizada, a implementação de funções macro e o desenvolvimento de modelos individuais. A DSI Engineering também possui sua própria biblioteca de símbolos específica para SOFIA. As empresas encomendadas pela DSI Engineering, ou estudantes que trabalham com teses de bacharelado ou mestrado, podem criar listas de cabos, conectores e conexões a partir de uma única fonte.

Manutenção e correções baseadas em ECAD

O segundo pilar é a ferramenta "DSI Maintenance and Repair". Na sua essência está o "Diagrama Principal dos Chicotes" (HMD), que fornece uma visão geral de todo o telescópio. Simon Beckmann diz: "Os documentos esquemáticos do EPLAN são baseados no HMD e oferecem uma função de salto eficiente. Apesar da engenharia elétrica altamente complexa e de mais de 2000 páginas de diagramas de circuitos, você não perde a visão geral ao solucionar problemas. Todo engenheiro e técnico da DSI pode usar o EPLAN Viewer para obter, com o clique de um mouse, acesso direto aos desenhos detalhados, desenhos de cabos, designações de pinos e folhas de dados dos componentes individuais ". Apesar da imensa riqueza de detalhes, a complexidade também foi intencionalmente evitada. A maioria dos usuários do EPLAN na DSI não utiliza o software diariamente, portanto, ele precisa ser intuitivo para operar. Muitas funções úteis estão incluídas. Se, por exemplo, uma unidade de computação defeituosa for substituída por uma nova unidade, o módulo opcional EPLAN garantirá que os esquemas e a documentação associada sejam atualizados em segundo plano.

Prova obrigatória de documentação na indústria aeroespacial

O terceiro pilar do EPLAN, chamado "Garantia da Qualidade", é prova de documentação para todo o cabeamento telescópico. Simon Beckmann explica por que esse módulo opcional EPLAN é tão importante: "Quando o telescópio foi fornecido, nenhuma unidade de substituição existia. Atualmente, desenvolvemos e fabricamos esses componentes internamente na DSI ou os reconstruímos pelos fabricantes. Como a tecnologia muda muito, as melhorias é claro que se incorporam a qualquer componente replicado. Portanto, as unidades de substituição podem ter a mesma interface com o telescópio, mas uma estrutura interna completamente diferente.O módulo opcional garante que a equipe da DSI possa agir rapidamente em caso de erro e que a SOFIA sempre leva desligado para a próxima missão com o status mais recente da documentação ". Essa abordagem também serve para aprovações de aeronavegabilidade e monitoramento de gerenciamento de revisões ".

Os detalhes: padronizando a documentação diferente

Quando o software estava sendo instalado, a equipe da SOFIA enfrentou o desafio de uma variedade de documentos e esquemas diferentes fornecidos pelos fornecedores de componentes de telescópios da época. Simon Beckmann diz: "Não podíamos simplesmente transferir os documentos 1: 1. Cada documento teve que ser adaptado e sofrer uma reatribuição dentro da estrutura. Em alguns casos, os documentos estavam ausentes ou não podiam ser claramente retratados, por isso tivemos que verificar o sistema funciona e, se não estiver claro, nossos colegas da Califórnia os verificaram durante os trabalhos de manutenção ".

Uso intensivo dos recursos do EPLAN

Para Simon Beckmann, o projeto de dezoito meses de transferência de documentação altamente complexa para o EPLAN foi um grande esforço de equipe no qual todos os envolvidos depositaram muita paixão e perseverança: "Nossos requisitos altamente especializados significam que provavelmente usamos 90% de todas as funções do EPLAN. frequentemente era necessário consultar o provedor e receber excelente suporte. Algumas coisas que pudemos resolver com as propriedades do bloco, às vezes tivemos sorte e uma nova versão foi emitida com a função desejada.No total, mais de 50 propriedades do bloco EPLAN foram programadas para o projeto e até os próprios funcionários da EPLAN demonstraram grande respeito pela implementação. Isso nos deixa orgulhosos ".

Preparado para os próximos 15 anos

Com a nova documentação padronizada do ECAD baseada no EPLAN, os responsáveis da DSI se sentem bem preparados para trabalhos futuros no telescópio da SOFIA e ainda mais para solucionar rapidamente irregularidades. Com a transferência de dados EPLAN concluída, apenas um status de dados comum e sempre atualizado existe e a equipe da DSI pode "ampliar" todos os detalhes eletrotécnicos do telescópio rapidamente. A replicação de unidades individuais usando dados EPLAN (e, portanto, também a modificação da documentação devido a novos componentes) ainda não foi testada - simplesmente porque nenhum componente está com defeito. Esse teste prático final certamente ocorrerá mais cedo ou mais tarde: a SOFIA realiza vôos de pesquisa por mais quinze anos, obtendo informações, por exemplo, sobre o nascimento de novas estrelas.

SOFIA: Projeto conjunto internacional em pesquisa fundamental

A pesquisa fundamental geralmente é realizada como um projeto conjunto, devido aos altos custos envolvidos. Isso também se aplica à SOFIA. Os operadores do "Observatório Estratosférico de Astronomia Infravermelha" são o Centro Aeroespacial Alemão e.V. (DLR) e NASA. Na Alemanha, o Governo Federal, o Estado de Baden-Württemberg e a Universidade de Stuttgart estão financiando a SOFIA. No lado alemão, as operações científicas são coordenadas pelo Instituto SOFIA alemão (DSI) da Universidade de Stuttgart, e no lado americano pela Associação de Pesquisa Espacial das Universidades (USRA). A aeronave, um Boeing 747 SP "Jumbo-Jet" convertido (uma versão reduzida com maior alcance), decolou pela primeira vez em 2010. Uma série de projetos de pesquisa é realizada em cada voo e, até agora, levou a importantes descobertas em áreas muito diferentes da astronomia.

Observatório, avião ou satélite?

Observatórios estacionários grandes, no deserto de Atacama, por exemplo, também usam telescópios infravermelhos. No entanto, os telescópios terrestres podem ver apenas em uma extensão muito limitada no raio infravermelho próximo e médio por causa do vapor de água na atmosfera da Terra, e não conseguem ver nada à distância devido ao fato de a luz infravermelha não poder passar através dela. o vapor de água. SOFIA, portanto, voa sobre ele, a uma altitude de 12 a 14 km. Um satélite pode "olhar" até o espaço como SOFIA, mas tem a desvantagem de que sua vida útil é limitada devido, por exemplo, ao esgotamento dos suprimentos de hélio para resfriar as câmeras. Os parceiros do projeto SOFIA também podem reequipar repetidamente o "observatório voador" com novos detectores, câmeras etc. e assim estabelecer novos objetivos de pesquisa. Isso explica a vida útil consideravelmente mais longa da SOFIA em comparação com um satélite e representa um exemplo de pesquisa fundamental sustentável.

SOFIA

SOFIA, o Observatório Estratosférico de Astronomia Infravermelha, é um projeto colaborativo do Centro Aeroespacial Alemão e.V. (DLR; número de concessão 50OK0901, 50OK1301 e 50OK1701) e a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA). Por iniciativa do DLR, ele é realizado com financiamento do Ministério Federal Alemão de Economia e Energia sob uma decisão do Bundestag alemão e com financiamento do Estado de Baden-Württemberg e da Universidade de Stuttgart. No lado alemão, as operações científicas são coordenadas pelo Instituto SOFIA alemão (DSI) da Universidade de Stuttgart, e no lado americano pela Associação de Pesquisa Espacial das Universidades (USRA). O desenvolvimento de instrumentos alemães está sendo financiado pela Sociedade Max Planck (MPG), Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e DLR.