Integración de MBSE y Gestión de Fallos para Misiones Espaciales Autónomas

Las operaciones espaciales completamente autónomas exigen la capacidad de detectar y compensar fallos sin intervención humana. Para abordar este desafío y ofrecer soporte basado en modelos para el diseño y las operaciones del sistema, es crucial conectar la gestión de fallos (FM) con la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE). Este enfoque se demostró con éxito mediante la generación basada en modelos de un análisis de modos y efectos de fallo (FMEA) y árboles de fallos, utilizando información del diseño inicial de la misión HelioSwarm de la NASA.

A medida que la NASA amplía los límites de los viajes espaciales con el programa Artemis y futuras misiones científicas de espacio profundo, la autonomía y la resiliencia de los sistemas se han convertido en necesidades tecnológicas clave. Las operaciones autónomas requieren software de gestión de fallos (FM) capaz de detectar problemas en el espacio para mitigarlos automáticamente. El diseño de misiones autónomas exige un enfoque multidisciplinario que conecte la FM con la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE), utilizada en el diseño de misiones, para asegurar que se arquitecten, modelen e integren sistemas resilientes y tolerantes a fallos desde la fase de diseño.

Para satisfacer esta necesidad, la NASA otorgó un contrato SBIR de Fase II a Qualtech Systems Inc. (QSI) para el desarrollo de capacidades de FM y la mejora de su conjunto de herramientas comercial, TEAMS®, con el fin de dar soporte a HelioSwarm y otras misiones heliofísicas de la NASA.

El Enfoque de QSI

Una tarea fundamental en este esfuerzo fue integrar la gestión de la salud del sistema (SHM) y la FM con el proceso de ingeniería de sistemas (SE). SHM/FM comprende mecanismos que aseguran el logro de los objetivos de la misión previniendo fallos o detectándolos y mitigándolos si ocurren. El proceso SE coordina, verifica e integra elementos del sistema para alcanzar dichos objetivos, siendo integral en el diseño, especificación y validación de sistemas. La NASA a menudo emplea un enfoque basado en modelos para su proceso SE, utilizando el Lenguaje de Modelado de Sistemas (SysML).

A pesar de su estrecha relación inherente con SE en la práctica, las prácticas de SHM/FM típicamente no se han integrado estrechamente con SE. A menudo, SHM/FM se incorpora después de que un sistema nominal ha sido diseñado, tratándolo como una solución posterior a los problemas sin considerar la prevención. Además, SE y SHM/FM suelen involucrar expertos con conocimientos aislados, lo que puede llevar a metodologías de modelado y procesos de análisis inconsistentes y generar ineficiencias a lo largo del ciclo de vida de la misión.

El enfoque del equipo de QSI, financiado por la NASA, integra SHM/FM directamente en el proceso MBSE desde el inicio de un proyecto. Este método permite evaluar el diseño de FM en un contexto operativo, demostrando cómo los esquemas SHM/FM mitigan los efectos de fallos físicos y funcionales simulados a nivel de componente. Esta técnica también facilita estudios comparativos para evaluar los méritos de diversas arquitecturas de FM durante la fase de diseño.

Bajo este esfuerzo SBIR, QSI colaboró con el SysML v2 Submission Team (SST), un grupo diverso de usuarios finales, proveedores, académicos y enlaces gubernamentales involucrados en el desarrollo de especificaciones para SysML v2. El equipo de QSI incorporó conceptos de FM y estándares de modelado en SysML v2, y demostró cómo los modelos de SysML v2 podían traducirse a los modelos de espacio de fallos producidos por el conjunto de herramientas de QSI.

Esta capacidad permite a los ingenieros de sistemas utilizar el conjunto de herramientas de modelado comercial de QSI y analizar los aspectos de FM del diseño de un sistema capturado en SysML v2. Al capturar las causas e impactos de los fallos, el conjunto de herramientas de QSI permite a los diseñadores de misiones realizar Análisis de Modos, Efectos y Criticidad de Fallos (FMECA) y Análisis de Árboles de Fallos (FTA) para analizar, cuantificar y mejorar el diagnóstico y la disponibilidad del sistema. Además, el conjunto de herramientas recomienda mejoras de diseño (por ejemplo, la ubicación óptima de sensores a bordo de la nave espacial) basadas en los resultados de dichos análisis, proporcionando estas recomendaciones en formatos estándar de la industria.

Durante este esfuerzo SBIR, el conjunto de herramientas de QSI también se mejoró para interactuar con un marco MBSE y facilitar la creación, evaluación y selección de conceptos de FM para el diseño de una misión. El conjunto de herramientas ahora permite probar los conceptos de FM en una etapa temprana del proceso de diseño, asegurando una detección y diagnóstico adecuados. Esto podría potencialmente reducir el costo total de desarrollo, mejorar la comunicación y coordinación entre los miembros del equipo de la misión, y disminuir los riesgos de desarrollo (costo y cronograma).

La Demostración de HelioSwarm

HelioSwarm transformará nuestra comprensión de la turbulencia en el viento solar y el sistema Tierra-Sol conectado. La misión utiliza una constelación de un "enjambre" de un nodo central y ocho satélites pequeños en co-órbita para realizar las primeras mediciones simultáneas y multiescala de fluctuaciones del campo magnético y flujos de protones en el dinámico entorno del espacio cislunar. Dado que la turbulencia del plasma transfiere energía a través de muchas escalas, desde movimientos de escala fluida hasta dinámicas de partículas a escala cinética, no puede entenderse completamente a partir de un único punto de medición o mediciones a una sola escala. Las naves espaciales de HelioSwarm volarán con separaciones que van desde decenas hasta miles de kilómetros, permitiendo a los científicos reconstruir la estructura tridimensional y la dinámica del plasma espacial turbulento. Estas observaciones revelarán cómo la energía se mueve a través del viento solar, transformando nuestra comprensión de los procesos fundamentales del plasma que operan cerca de la Tierra, alrededor del Sol y en todo el universo.

La turbulencia del plasma es el proceso por el cual la energía contenida en los campos magnéticos fluctuantes y el movimiento del plasma se dispersa de escalas espaciales grandes a pequeñas. Cuando la cascada se acerca a escalas espaciales pequeñas asociadas con la disipación cinética, la energía se transfiere a calor de partículas. Sin cascadas turbulentas en plasmas espaciales, la mayor parte del universo sería mucho más frío de lo observado. Debido al papel termodinámico fundamental que juega en los fluidos, incluidos los plasmas espaciales, muchos sostienen que los fluidos turbulentos son el problema no resuelto más importante en la física clásica.

El equipo de QSI creó un modelo de diseño SysML v2 de los subsistemas de HelioSwarm y los requisitos de misión de alto nivel, capturando el flujo desde los objetivos de la misión hasta el diseño. Luego, el equipo utilizó su conjunto de herramientas mejorado para traducir el modelo SysML v2 de HelioSwarm a un modelo de FM. Los modelos de HelioSwarm comprenden subsistemas clave de la nave nodriza y ocho satélites nodo, incluyendo subsistemas para manejo de comandos y datos; energía eléctrica; control de actitud; propulsión; sensores de carga útil de hardware térmico y de separación; y comunicaciones terrestres y espaciales. Utilizando el conjunto de herramientas de QSI, los diseñadores de misiones generaron FMECA y FTA que se tradujeron en un informe SysML estandarizado. Además, estos análisis de FM generaron recomendaciones (por ejemplo, para la colocación de sensores) que se proporcionaron como actualizaciones propuestas al diseño del sistema. Este proceso apoyará el diseño de enjambres de naves espaciales pequeñas con redundancia inherente para mejorar las observaciones científicas y otros objetivos de la NASA, como la provisión de soporte de misión para operaciones en la superficie lunar.

Relevancia para futuras misiones de la NASA y aplicaciones no de la NASA

La tecnología desarrollada a través de este último esfuerzo SBIR podría ser de gran valor para futuras misiones de la NASA, especialmente aquellas que requieren operación autónoma. El conjunto de herramientas TEAMS® de QSI se ha integrado para funciones de Gestión de Sistemas de Vehículos en el proyecto Gateway de la NASA y mantiene aplicabilidad a futuras naves espaciales tripuladas. Los ingenieros de diseño de sistemas podrían usar esta tecnología para incorporar estrategias de mitigación de fallos y mejorar el diseño con una visión adicional de la resiliencia general del sistema, justo al comienzo de la fase de diseño.

Esta tecnología también puede tener aplicaciones fuera de la NASA. Los análisis de FM integrales y eficientes, así como los estudios comparativos de arquitectura, son de suma importancia para sistemas militares complejos y de alto valor, como aeronaves, buques de superficie, submarinos e incluso vehículos terrestres modernos. Adicionalmente, esta tecnología podría ser aplicable a sistemas espaciales comerciales emergentes, sistemas de aviación civil y marítima, transporte, y equipos de generación y distribución de energía.