Solosuits fa progredire la progettazione delle tute spaziali

La progettazione di tute spaziali è un compito raramente richiesto agli sviluppatori di prodotti. Richiede l'integrazione di sistemi meccanici, variabili umane e vincoli di supporto vitale in un'unica unità funzionante. Ogni componente deve funzionare in modo affidabile in un ambiente in cui un guasto comporta conseguenze immediate e potenzialmente disastrose.

Solosuits, un'azienda con sede a Houston specializzata nello sviluppo di tute spaziali, sta lavorando per portare l'eccellenza della progettazione ingegneristica nelle tute di nuova generazione destinate allo spazio. L'obiettivo della startup è realizzare una tuta funzionante, perfezionando continuamente ogni componente per soddisfare rigorosi requisiti di prestazioni, sicurezza e usabilità. Nell'ambito di tale obiettivo, il guanto della tuta spaziale rappresenta la sfida progettuale più complessa.

I guanti delle tute spaziali rappresentano una convergenza di requisiti ingegneristici contrastanti. Devono funzionare come parte di un sistema pressurizzato sigillato, consentendo al contempo la destrezza della mano umana; ciò rende il guanto uno dei componenti più difficili da progettare. Secondo Nik Moiseev, capo progettista di Solosuits, oltre a numerose articolazioni e meccanismi di mobilità, il guanto della tuta spaziale deve soddisfare una lunga lista di requisiti prestazionali comuni all'intera tuta. "Il guanto è la parte più difficile di una tuta spaziale", spiega.

A livello funzionale, il guanto opera come interfaccia pressurizzata tra la mano dell'astronauta e l'ambiente esterno, consentendo il movimento all'interno di un sistema sigillato pur mantenendo la pressione interna. Ciò crea un vincolo fondamentale: la pressione interna genera forze che ostacolano l'articolazione delle articolazioni, una sfida ben documentata nella progettazione dei guanti per EVA secondo una ricerca della NASA. Ciò aumenta lo sforzo richiesto per il movimento, contribuendo all'affaticamento della mano. Un guanto deve quindi essere progettato per trattenere la pressione, evitare perdite e mantenere l'integrità strutturale, riducendo al contempo la coppia articolare e consentendo movimenti della mano ripetibili e precisi.

Questa sfida è aggravata dalla mano umana, una delle strutture meccanicamente più complesse e abili del corpo umano. Come osserva Artem Kozhemyakin, ingegnere e tecnico specializzato in tute spaziali: "Il guanto contiene il maggior numero di piccole parti". Il guanto deve inoltre integrarsi con i sistemi hardware circostanti, tra cui cuscinetti, dispositivi di disconnessione ed elementi strutturali, che influenzano tutti la mobilità e l'utilizzabilità.

La variabilità umana aggiunge un ulteriore livello di difficoltà. Il progetto deve adattarsi alle diverse corporature degli astronauti, mantenendo al contempo prestazioni costanti in termini di vestibilità, raggio d'azione e requisiti termici e di comfort in caso di utilizzo prolungato. Questi vincoli definiscono la sfida progettuale: creare un sistema che, senza compromessi, mantenga la pressione e consenta il movimento, adattandosi al contempo al corpo umano.

Utilizzo dell'iterazione digitale per valutare le prestazioni

Per affrontare queste sfide, Solosuits si affida a software di modellazione 3D e utilizza SOLIDWORKS® Design per sviluppare i componenti delle tute spaziali attraverso un flusso di lavoro digitale strutturato. L'accesso a strumenti di modellazione 3D avanzati consente al team di questa piccola startup di costruire modelli rapidamente e di iterare senza i costi e i ritardi legati a ripetute realizzazioni fisiche. "Il programma SOLIDWORKS for Startups ci permette di modellare e realizzare prototipi rapidamente senza le barriere di costo [del CAD meccanico di fascia alta]", afferma entusiasta Kozhemyakin. Ciò significa che la progettazione orientata alla producibilità è integrata direttamente nel processo, riducendo gli sprechi di tempo e materiali per uno sviluppo del prodotto più sostenibile.

La capacità di generare e valutare molteplici configurazioni di progetto fa parte delle caratteristiche e delle funzionalità fondamentali di SOLIDWORKS. Secondo Moiseev, uno degli aspetti più preziosi del software CAD è la capacità di "creare rapidamente combinazioni e cercare opzioni". Ciò è particolarmente importante per la progettazione dei guanti, dove minime variazioni geometriche possono influire sulla mobilità, sull'integrità della tenuta e sull'utilizzabilità e sulle prestazioni complessive.

Solosuits sfrutta SOLIDWORKS Simulation per valutare le prestazioni prima che l'hardware venga prodotto nell'ambito del ciclo di vita dello sviluppo del prodotto. Valutando i progetti virtualmente, il team identifica tempestivamente potenziali problemi e perfeziona i componenti prima della fabbricazione, riducendo così gli sprechi e favorendo uno sviluppo del prodotto più sostenibile.

Altrettanto importante per realizzare un progetto ingegneristico innovativo è l'uso di modelli umani digitali basati su dati antropometrici (SOLIDWORKS collabora con Zygote). Questi modelli consentono al team di valutare come diversi tipi di corporatura interagiscono con una tuta spaziale. Sebbene la pressurizzazione limiti la mobilità umana, un sistema pressurizzato virtualmente consente agli ingegneri di Solosuits di valutare vestibilità, raggio d'azione e movimento articolare senza dover ricorrere a soggetti umani reali o a prototipi fisici.

Questa combinazione di progettazione basata sulla configurazione, simulazione e valutazione incentrata sull'uomo su modelli digitali e, successivamente, reali, consente a Solosuits di tradurre requisiti complessi in progetti che siano al tempo stesso funzionali e ottimizzati per la produzione.

La riduzione dei prototipi fisici fa risparmiare tempo e denaro

Spostando una parte significativa del ciclo di vita dello sviluppo del prodotto nell'ambiente digitale, Solosuits riduce la propria dipendenza dalla sola prototipazione fisica. Kozhemyakin spiega che il team può validare più progetti virtualmente e contemporaneamente, anziché "realizzarli fisicamente e poi testarli di persona", il che accorcia i tempi di sviluppo del prodotto.

La capacità di valutare più configurazioni in parallelo accelera l'iterazione. Poiché le prestazioni dei guanti dipendono dall'interazione di molti piccoli componenti e giunti, ciò consente un perfezionamento più efficiente delle caratteristiche di mobilità e tenuta senza ripetute ricostruzioni.

Inoltre, l'uso di modelli umani basati su dati antropometrici migliora la validazione ergonomica nelle prime fasi del processo di progettazione. Anziché affidarsi a un'unica taglia nominale, il team può valutare le prestazioni del progetto su una vasta gamma di corporature, il che aiuta a identificare i limiti di vestibilità, raggio d'azione e mobilità prima della produzione dei prototipi fisici.

Questo approccio favorisce inoltre un'evoluzione progettuale più coerente nel tempo. Come sottolinea Moiseev, ogni nuova generazione di progetti diventa "più affidabile, più resistente e più confortevole", riflettendo un ciclo di vita dello sviluppo del prodotto che integra miglioramenti iterativi basati su simulazione, test di configurazione e valutazione incentrata sull'uomo.

Promuovere la progettazione incentrata sull'uomo in ambienti estremi

Per Solosuits, la progettazione di tute spaziali consiste fondamentalmente nel consentire alle persone di operare in uno degli ambienti più impegnativi che si possano immaginare. La sfida non consiste solo nel mantenere le condizioni di supporto vitale, ma nel farlo senza limitare il movimento, il comfort o l'utilizzabilità.

Sfruttando SOLIDWORKS Design per modellare, simulare e valutare i progetti in modo digitale, il team è in grado di affrontare la sfida con maggiore precisione ed efficienza per raggiungere l'obiettivo dell'eccellenza nella progettazione ingegneristica. Il risultato è un processo di sviluppo che favorisce il miglioramento continuo, riduce la dipendenza dai test fisici e infonde maggiore fiducia in ogni iterazione del progetto.

Con l'espansione delle attività spaziali commerciali, la capacità di progettare sistemi che bilancino sicurezza e mobilità e siano concepiti per la producibilità diventerà sempre più importante.