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Adquisición de datos en pruebas estructurales: el caso Dynetics + HBK
Dynetics proporciona soluciones de ingeniería, científicas y de TI a los sectores de seguridad nacional, ciberseguridad, información crítica y espacial. Las soluciones incluyen servicios, así como software y hardware que van desde componentes hasta sistemas complejos de extremo a extremo. Para atender proyectos espaciales gubernamentales y comerciales, en 2019, la empresa abrió su Complejo de Estructuras Aeroespaciales en Decatur, Alabama, a unos 48 kilómetros de su sede en Huntsville, Alabama.
El complejo incluye una instalación de integración de 4,000 metros cuadrados, que permite el ensamblaje y prueba de grandes estructuras aeroespaciales. Para proporcionar pruebas de calificación estructural, el complejo incluye un banco de pruebas de 18 metros de largo, 18 metros de ancho y 30 metros de alto, con una capacidad de izaje de 35 toneladas. Un centro de control de pruebas adyacente de 370 metros cuadrados permite a los ingenieros de Dynetics y a los clientes ver pruebas en vivo y analizar los datos en sitio.
Ben Beeker, un ingeniero de pruebas con formación en ingeniería mecánica y experiencia en sistemas de fluidos, hidráulicos y compresibles, dijo que Dynetics participa en una amplia gama de programas, que van desde sistemas de radar hasta satélites. La empresa también tiene experiencia en propulsión, desarrollando desde componentes de motores hasta sistemas completos. En el lado de pruebas, Dynetics realiza varias pruebas para diversas aplicaciones aeroespaciales, incluidos fuselajes, sistemas de fluidos e intercambiadores de calor.
HBK: datos confiables y flexibilidad total
En el nuevo banco de pruebas en Decatur, el trabajo de Beeker se centra en las pruebas estructurales o pruebas de vehículos de vuelo de varios tipos, midiendo cómo una estructura reacciona a las cargas aplicadas.
La base de concreto del banco de pruebas tiene pilotes que llegan hasta la roca madre. Está equipada con un sistema hidráulico capaz de controlar más de cien actuadores. El banco de pruebas también incluye un sistema de datos con miles de canales de medición de Hottinger Brüel & Kjær (HBK), así como un sistema de control dedicado que proporciona control en lazo cerrado mientras garantiza la seguridad frente al sistema de datos utilizado anteriormente.
Según Beeker, algunas empresas ofrecen sistemas integrados de datos y control, pero rara vez sobresalen en ambos, “La elección es una empresa de control que ofrece datos como complemento o viceversa.” La mejor opción para Dynetics fue el sistema de control de otro proveedor y el sistema de datos de HBK.
“Con HBK, lo que realmente nos convenció fue que no se enfocaban en el control, pero tenían una solución de control. Ya habían trabajado con otros proveedores antes y contaban con toda la infraestructura para hacer posible la conexión [entre el sistema del otro proveedor y el sistema de datos de HBK].
Otra ventaja de HBK fue que podía suministrar una gran variedad de galgas extensiométricas eléctricas y otros sensores en las cantidades que Dynetics necesitaba, y también podía proporcionar asistencia en la instalación de las galgas.
Además, HBK proporcionó capacitación integral y continúa brindando soporte.
MGCplus y CANHEAD: potencia y simplicidad
Heyligen, ingeniero de pruebas con formación en ingeniería mecánica, instrumentación y sistemas de datos, proporcionó detalles adicionales sobre el sistema de adquisición de datos.
El sistema adquiere datos de más de 3,000 galgas extensiométricas y más de 300 transductores de presión de puente completo en la estructura bajo prueba, además de sensores adicionales, incluidos potenciómetros de cuerda, asociados con el equipo externo y un sistema de control dedicado.
Dynetics también pone a disposición 10 estaciones de trabajo en el centro de control para los clientes, permitiéndoles observar las pruebas y analizar los resultados. Heyligen dijo que la empresa también ha implementado una VPN, permitiendo a los clientes monitorear las pruebas de forma remota — una capacidad particularmente útil durante la pandemia de Covid-19 y los confinamientos asociados.
Para adquirir los datos de todos esos canales, el equipo de Dynetics seleccionó el sistema de adquisición de datos MGCplus de HBK, un sistema versátil que puede adquirir no solo datos de deformación, sino también datos de fuerza, desplazamiento, par y temperatura, así como tensión y corriente. El MGCplus puede incluir amplificadores de uno o varios canales para casi todas las magnitudes físicas y puede escalar hasta 20,000 canales.
Heyligen describió al MGCplus como uno de los mejores sistemas compactos de adquisición de datos del mercado. Una ventaja particular, dijo, es que funciona con el sistema CANHEAD de HBK, que permite que los amplificadores distribuidos se ubiquen cerca de las galgas extensiométricas u otros sensores, ofreciendo un ahorro significativo en cableado y costos de instalación. Un solo cable para alimentación y datos reduce aún más el costo y la complejidad de la instalación. Una tarjeta de expansión del MGCplus puede alojar hasta 12 módulos CANHEAD, y cada módulo CANHEAD admite 10 canales. La combinación MGCplus y CANHEAD puede adquirir hasta 20,000 canales de forma sincronizada.
“Con algunos sistemas de la competencia, tienes que conectar la galga extensiométrica directamente al sistema de datos,” dijo Heyligen. “CANHEAD es un sistema mucho más limpio. Idealmente, pero dependiendo de los requisitos del cliente, puedes ubicar el CANHEAD muy cerca de la galga.” También destacó la modularidad del sistema HBK. “Puedes tener un solo chasis para hacer una prueba pequeña,” y concluye, “El sistema es realmente confiable. Una vez que está configurado correctamente, es muy sólido.”
Software potente que no complica
El equipo utilizó el software de adquisición de datos catman Enterprise de HBK para manejar el gran número de canales. El software complementa al MGCplus con soporte para hasta 20,000 canales de medición, lo que lo hace particularmente adecuado para aplicaciones aeroespaciales.
Ofrece varias funciones para respaldar aplicaciones con muchos canales, como agrupación lógica de canales (por ejemplo, asignar sensores del ala izquierda de una aeronave en un grupo), parametrización de canales sin conexión, prueba funcional con un clic para todas las galgas, funcionalidades de personalización mediante scripts y una arquitectura cliente-servidor abierta que permite vinculación sencilla con sistemas de control de terceros, sistemas de cámaras y otro hardware. catman Enterprise también permite exportar datos para análisis con nCode Glyphworks de HBK o el software propio del cliente.
“Lo que me gusta del software es que es simple. Está basado en una base de datos de Microsoft® Access, que puedo modificar fácilmente,” dijo Heyligen. “Algunas empresas tienen software con muchas interfaces gráficas, se ve bonito, pero puede dificultar la extracción de datos, que es lo que queremos hacer porque los datos son el producto final para nuestros clientes. Hasta ahora, nunca he perdido datos, lo cual es mi mayor temor. Si pierdo datos, es un mal día para mí.” Con el sistema de HBK, continuó, “Estoy seguro de que puedo ver lo que está pasando en tiempo real y estar seguro de que obtendré los datos al final del día.”
Beeker comentó que el equipo de Dynetics ha tenido éxito capacitando rápidamente a los nuevos clientes en el uso del software. “Creo que eso habla de su facilidad de uso: no tenemos que pasar una semana entrenando a nuestros clientes para adquirir datos y generar gráficos. Algunos detalles más finos vendrán con el tiempo, pero puedes poner al día a alguien con bastante rapidez. Es un software bastante intuitivo.”
Heyligen añadió, “También recibimos buen soporte al cliente de HBK. Sé que puedo llamar a los ingenieros de HBK en Alemania y obtendré una respuesta rápida. Pueden acceder de forma remota a nuestra computadora si es necesario. Y recibimos actualizaciones de software con regularidad, lo que nuestros clientes agradecen porque obtienen más opciones de gráficos y otras funciones. El soporte al cliente es continuo, lo cual valoramos.”
Resultados concretos: pruebas de cohetes y adaptadores espaciales
Los proyectos en el complejo incluyen una prueba estructural del impulsor Vulcan Centaur de United Launch Alliance para evaluar la capacidad del vehículo para soportar las fuerzas extremas que experimentará durante el vuelo. Además, Dynetics es el contratista principal del Universal Stage Adapter (USA) de la NASA. El USA volará en el cohete evolutivo Space Launch System (SLS) de la NASA durante futuras misiones Artemis e integrará la Exploration Upper Stage (EUS) con la nave Orion, proporcionando conexiones estructurales, eléctricas y de comunicación. El complejo de Dynetics está ubicado junto al río Tennessee, por lo que estructuras grandes como el USA pueden transportarse en barcaza hasta el Centro Espacial Kennedy en Cabo Cañaveral, Florida.
Beeker explicó que el USA se fabricará en la instalación de integración contigua al centro de control de pruebas y al banco de pruebas en Decatur. “La instalación de integración tiene su propia celda de prueba que está conectada a nuestro centro de control, por lo que tenemos la opción de ejecutar pruebas en la celda de prueba desde el centro de control. Realizaremos varias pruebas en el hardware, algunas ocurrirán en la instalación de integración, y otras pruebas de carga de aceptación se realizarán en nuestro banco de pruebas.”
Cuando se le preguntó sobre pruebas específicas realizadas por el equipo, Beeker dijo: “Hemos hecho prácticamente todas las pruebas que puedas imaginar.” Eso incluye pruebas acústicas de campo directo (DFAT), que someten las estructuras a ondas de sonido generadas por una matriz de altavoces; pruebas de modelos, esencialmente pruebas con martillos calibrados; y pruebas estructurales mediante cargas hidráulicas. “Nuestra instalación puede reaccionar a 6 millones de libras de carga equivalente en el piso y 4 millones de libras en la estructura del techo,” dijo. “Podemos tener todas nuestras cargas hidráulicas actuando simultáneamente.”
Beeker añadió: “También tenemos la gravedad de nuestro lado. Puede sonar trivial al principio, pero cuando llenamos nuestros tanques con agua, podemos obtener una carga de más de un millón de libras solo por el peso del agua. Y también contamos con un sistema de control de presión que regula activamente la presión en los espacios de gas de los tanques. Así que, en una prueba estructural dada, estamos controlando presión, temperatura, temperatura localizada y cargas hidráulicas aplicadas externamente.”
Beeker citó una característica única de la instalación de Dynetics: “Muchos lugares han realizado pruebas estructurales con alta cantidad de instrumentación y actuadores,” dijo. “Eso no es raro. Lo especial aquí es que podemos realizar una prueba de calificación completamente integrada para un impulsor. Estamos calificando múltiples piezas de hardware al mismo tiempo, lo cual es excelente, pero al mismo tiempo agrega un nivel de complejidad que no se ve en la mayoría de los lugares.”
Y concluyó: “Tenemos interfaces con más de seis actuadores conectados, así que para una sola interfaz, estamos controlando todos esos actuadores al mismo tiempo para obtener un vector de carga muy específico. Eso es diferente a simplemente tener muchos actuadores actuando en la misma dirección. Creo que eso es algo bastante especial aquí.”
REFERENCIAS
1. Moseley, Brandon, Dynetics opens rocket-testing facility
in Decatur, Alabama Political Reporter, October 17, 2019.
2. Video Tutorial: Installation of Strain Gauges, HBK.
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