Лесные пожары становятся всё более частыми, интенсивными и разрушительными по всему миру — и они возникают в регионах, где раньше с ними сталкивались крайне редко. Это наносит беспрецедентный ущерб как людям, так и окружающей среде. Для борьбы с этим правительства, службы экстренного реагирования и операторы инфраструктуры нуждаются в более быстрой и точной информации, чтобы предотвратить перерастание небольших возгораний в крупномасштабные катастрофы.
Платформа Wildfire Solution от OroraTech объединяет данные со спутников и наземных источников для обнаружения и мониторинга лесных пожаров по всему миру практически в реальном времени, используя высокочувствительные инфракрасные камеры для поиска возгораний из космоса. Эти оптические системы должны сохранять идеальное выравнивание, несмотря на экстремальные ускорения, вибрации и ударные нагрузки во время запуска. Здесь мы рассмотрим, как OroraTech использует решения для моделирования Ansys (части Synopsys) для решения этой задачи, сокращая общие затраты труда на оптико-механическую разработку и время итераций проектирования на 50%, чтобы создать механически прочное решение на базе тепловизионной камеры для своих спутников.
Представьте, что вы — наблюдатель пожарного поста, смотрящий на бесконечный горизонт верхушек деревьев с вышки в северном Квебеке. Это непростая работа. Квебек в два раза больше Техаса, и лесной пожар в этом малонаселенном районе легко может остаться незамеченным.
И в Квебеке такие пожары не редкость. Как рассказал Зак Риклфс (Zach Ricklefs), старший менеджер по коммуникациям и контенту из германского аэрокосмического стартапа OroraTech, в Квебекском регионе одновременно может происходить около 15–20 пожаров.
Сегодня, даже если эти лесные пожары замечены наблюдателями или с самолетов, на реагирование требуется время. Например, если вы заметили явные признаки лесного пожара со своей вышки, это только начало. В этой отдаленной местности помощь может прибыть лишь через несколько часов, и к тому времени огонь может сильно распространиться.
Инновационная компания по обнаружению лесных пожаров OroraTech сосредоточилась на решении этой задачи, задавшись вопросом о том, как мы можем лучше обнаруживать и предотвращать лесные пожары, особенно в отдаленных районах. В результате SOPFEU, провинциальное ведомство по пожарной безопасности Квебека, стало одним из многочисленных глобальных клиентов OroraTech.
Интегрируя решения для структурного и теплового моделирования от Ansys, входящей в состав Synopsys, OroraTech предлагает альтернативу традиционным методам обнаружения лесных пожаров с помощью растущего созвездия спутников тепловизионной съемки, разработанных специально для обнаружения и мониторинга лесных пожаров из космоса. Это значительное улучшение по сравнению с существующими системами мониторинга, которые полагаются на человеческое наблюдение, наземные камеры и сооружения, такие как пожарные вышки.
Получив доступ к программному обеспечению через программу Ansys Startup Program и поддержку от CADFEM Germany GmbH, элитного партнера по продажам Ansys, OroraTech разрабатывает спутниковые технологии для создания платформы аналитики лесных пожаров. Она обеспечивает прогнозирование и передачу данных о пожарах практически в реальном времени, что помогает экстренным службам принимать более быстрые и обоснованные решения.
Обнаружение пожаров и прогнозирование их распространения
Важность превращения спутниковых данных в аналитику лесных пожаров
OroraTech позволяет тем, кто предотвращает, тушит и анализирует пожары на Земле, проще превращать данные в практические выводы. «Платформа космической аналитики лесных пожаров от OroraTech помогает пользователям эффективно понимать, обнаруживать, отслеживать и прогнозировать лесные пожары, позволяя более эффективно распределять ресурсы для борьбы с огнем на основе данных», — поясняет Таракарам Колусу (Tarakaram Kolusu), инженер по механическому моделированию в OroraTech. «Помощь в борьбе с кризисом лесных пожаров крайне важна, так как она помогает предотвратить человеческие трагедии и гибель лесов, потерю растительности, а также загрязнение окружающей среды дымом», — добавляет Колусу.
Данные OroraTech, обнаруживающие лесные пожары (оранжевым цветом) и их прогнозируемое распространение (каждый час отмечен новым цветом)
Учитывая сеть созвездия из более чем 35 спутников, которая охватывает всю Землю и обнаруживает очаги возгорания размером с автомобиль, неудивительно, что OroraTech масштабирует свое влияние по всему миру, а ее клиенты находятся в Северной и Южной Америке, Европе, Азии и Австралии. Их цель — обеспечить пролет спутников над зоной пожара каждые 30 минут, предоставляя службам быстрого реагирования информацию о новых очагах и обновленные данные как можно чаще. «Это действительно глобальное решение для проблемы, которая становится всё более глобальной, поэтому мы стараемся масштабироваться так быстро, как только можем», — говорит Риклфс.
Вверху: обычное спутниковое изображение вулкана Мауна-Лоа на Гавайях слева и тепловое изображение того же вулкана справа; внизу: спутник Forest-3 компании OroraTech
Часть этого масштабирования подразумевает использование новейших доступных технологий. Например, команда полагается на искусственный интеллект (ИИ) «во всех частях нашего процесса — от первого обнаружения до создания инструментов работы с данными», — говорит Риклфс. «ИИ встроен в спутники для обнаружения пожаров на орбите перед загрузкой данных на Землю, встроен в нашу систему обработки данных для ускорения получения результатов и в наш инструмент Fire Spread для прогнозирования дальнейшего движения пожара. Создание и внедрение новых технологий очень важны для нас».
Но обнаружение лесных пожаров с орбиты зависит не только от передовых датчиков и ИИ. OroraTech также должна гарантировать, что ее чувствительные полезные нагрузки для тепловизионной съемки смогут пережить экстремальные условия запуска спутника. Чтобы решить эту задачу, команда обратилась к моделированию.
Решение проблем проектирования спутников с помощью моделирования
Чтобы технология OroraTech функционировала оптимально и обеспечивала успех миссии, ей необходимо с предельной точностью обнаруживать активные и потенциальные лесные пожары. Однако это сложно из-за хрупких и чувствительных оптических элементов в полезной нагрузке тепловизионных систем OroraTech. Эти деликатные устройства должны выдерживать суровые механические нагрузки во время запуска спутника, включая квазистатические ускорения, синусоидальные и случайные вибрации, а также ударные нагрузки.
По словам Колусу, OroraTech должна была преодолеть ключевую оптико-механическую проблему разработки архитектуры крепления и поддержки линз, которая могла бы выдерживать нагрузки, возникающие при запуске, одновременно минимизируя напряжения и деформации в чувствительных оптических компонентах.
Решить эту проблему непросто из-за процесса исследований и разработок (НИОКР) структуры спутника, который, по словам Колусу, требует больших ресурсов, значительного времени, инженерных усилий и затрат, которые только возрастают при производстве и испытании структурных прототипов.
Поэтому OroraTech использовала программное обеспечение для структурного конечно-элементного анализа Ansys Mechanical для проведения механических анализов с целью оценки структурной целостности, стабильности, жесткости и выживаемости спутника при нагрузках, возникающих во время запуска. «Результаты моделирования помогают выявить критические зоны напряжений и деформаций, проверить запасы прочности и поддержать оптимизацию конструкции до проведения физических квалификационных испытаний», — говорит Колусу.
Оценивая конструкцию спутника на раннем этапе процесса проектирования, компания OroraTech последовательно оптимизировала и адаптировала его компоненты под требования миссии еще до производства и физических квалификационных испытаний.
«Одно из главных преимуществ структурного моделирования — это значительное сокращение времени разработки, инженерных затрат и стоимости прототипирования», — говорит Колусу. — «Виртуальное тестирование позволяет оценивать несколько конструктивных концепций в условиях, имитирующих пусковые нагрузки, до начала изготовления оборудования и физических тестов, что существенно ускоряет цикл разработки».
В частности, для тепловизионных полезных нагрузок OroraTech такой итеративный подход помогает создать механически прочную тепловизионную камеру, способную выдерживать нагрузки и напряжения, возникающие при запуске, в том числе в чувствительных оптических компонентах. «Снижая риск растрескивания, смещения или деформации линз, конструкция помогает сохранить оптическое юстирование и качество изображения, тем самым способствуя точному наблюдению за Землей и получению снимков высокого разрешения», — поясняет Колусу.
Структурное моделирование в Ansys сократило время оптико-механической разработки и итераций дизайна OroraTech примерно на 50%, позволив создать механически надежное решение в виде тепловизионной камеры для их спутников.
Эти преимущества стали возможны благодаря участию OroraTech в программе Ansys Startup Program и сотрудничеству с CADFEM. «Эта поддержка помогла нам лучше оценивать структурные характеристики, усовершенствовать методологию моделирования и более эффективно использовать программное обеспечение для оптимизации и улучшения дизайна нашей продукции», — говорит Колусу. — «Доступ по доступной цене к передовым инструментам моделирования и анализа в рамках программы Ansys Startup Program помог нам быстрее и эффективнее разрабатывать инновационные решения. Это помогает нам снижать затраты на физическое прототипирование и быстрее выводить на рынок наши важные решения в то время, когда эта технология действительно необходима».
Создание будущего мониторинга лесных пожаров с орбиты
Внедряя передовые технологические решения, компания OroraTech постоянно совершенствует свою продукцию и достигает новых вех, тем самым демонстрируя, как быстро ее видение становится реальностью. Например, компания расширила возможности своих спутников, недавно запустив термографические спутники для Греческой системы пожаротушения (HFS).
Проект HFS направлен на создание группировки из четырех спутников для правительства Греции с целью обнаружения лесных пожаров. Она будет сканировать всю территорию Греции для обеспечения непрерывного теплового мониторинга в поддержку операций по реагированию на чрезвычайные ситуации и климатических исследований.
Фотографии аппаратов FOREST-17 и FOREST-18 Греческой системы пожаротушения (HFS)
Это сотрудничество привело к созданию первой в мире национальной группировки спутников для обнаружения лесных пожаров. Благодаря этой работе Греция теперь может служить «примером для других правительств не только в Европе, но и во всем мире», говорит Колусу.
Платформа OroraTech Wildfire Solution, Крит, Греция
Компания планирует масштабировать группировку до более чем 100 спутников в течение следующих двух-трех лет. Это сократит интервалы повторного обзора очагов возгорания, позволяя оперативно обновлять данные — например, предоставлять пожарным новую информацию каждые 20–30 минут. «Раньше этого никто не делал, и мы можем стать первопроходцами, чтобы оказать мощную поддержку пожарным», — говорит Рикльфс.
Чтобы воплотить это будущее в реальность, Колусу подчеркивает важность использования моделирования для сокращения физических испытаний и сопутствующих расходов при каждом изменении конструкции по мере расширения сети спутниковой группировки OroraTech. «Моделирование значительно сокращает время разработки и трудозатраты на тестирование, ускоряет итерации дизайна и поддерживает более масштабируемый производственный процесс при сохранении необходимой структурной надежности и выживаемости при запуске», — говорит Колусу.
Узнайте, как программа Ansys Startup Program поддерживает стартапы, разрабатывающие прорывные технологии нового поколения.
Хотите узнать больше о том, как моделирование позволяет аэрокосмическим компаниям осуществлять позитивные глобальные изменения? Посетите наш сайт, посвященный будущему космоса.
Только для вас. У нас есть дополнительные материалы, которые могут вам понравиться.
ВЗГЛЯНИТЕ
«Одно из главных преимуществ структурного моделирования — это значительное сокращение времени разработки, инженерных затрат и стоимости прототипирования. Виртуальное тестирование позволяет оценивать несколько конструктивных концепций в условиях, имитирующих пусковые нагрузки, до начала изготовления оборудования и физических тестов, что существенно ускоряет цикл разработки».
— Таракарам Колусу, инженер по механическому моделированию, OroraTech
