Integrando engenharia de sistemas baseados em modelos e gerenciamento de falhas para permitir missões espaciais autônomas

As operações de missão espacial totalmente autônomas exigem a capacidade de detectar falhas e compensá-las sem intervenção humana. Para enfrentar esse desafio e fornecer suporte baseado em modelos para projeto e operações de sistemas, é importante conectar o gerenciamento de falhas (FM) e a engenharia de sistemas baseada em modelos (MBSE). Esta abordagem foi demonstrada com sucesso com a geração baseada em modelo de modos de falha e análise de efeitos e árvores de falhas usando informações de projeto inicial da missão HelioSwarm da NASA.

À medida que a NASA se esforça para ultrapassar os limites das viagens espaciais com o programa Artemis e as próximas missões científicas no espaço profundo da agência, o aumento da autonomia e resiliência do sistema tornaram-se inevitavelmente necessidades tecnológicas essenciais. As operações autônomas exigem software de gerenciamento de falhas (FM) para detectar problemas que ocorrem no espaço, para que possam ser mitigados automaticamente sem intervenção humana. A concepção de missões autónomas requer uma abordagem multidisciplinar que ligue a FM à abordagem de engenharia de sistemas baseada em modelos (MBSE) utilizada na concepção da missão para garantir que sistemas resilientes e tolerantes a falhas sejam arquitectados, modelados e integrados durante a fase de concepção.

Para atender a essa necessidade, a NASA concedeu um contrato de Fase II de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) para a Qualtech Systems Inc. (QSI) para o desenvolvimento de recursos de FM e melhorias em seu conjunto de ferramentas comercialmente disponível, TEAMS® (um produto que resultou da comercialização do trabalho anterior da empresa em SBIR patrocinado pela NASA), para apoiar HelioSwarm e outras missões heliofísicas da NASA.

Uma das tarefas mais importantes neste esforço foi conectar o gerenciamento da integridade do sistema (SHM) e FM ao processo de engenharia de sistemas (SE). Juntos, o SHM/FM consiste em um conjunto de mecanismos que garantem que os objetivos da missão sejam alcançados, evitando a ocorrência de falhas ou detectando e mitigando-as, caso ocorram. O processo SE coordena, verifica e integra elementos do sistema para atingir os objetivos da missão e é parte integrante durante o projeto, especificação e verificação e validação (V&V) de sistemas. A NASA frequentemente emprega uma abordagem baseada em modelo para seu processo SE, usando Systems Modeling Language (SysML) como estrutura.

Apesar da sua relação inerentemente próxima com a ES na prática, as práticas de SHM/FM normalmente não têm sido fortemente integradas com a ES. Freqüentemente, o SHM/FM é incorporado somente após um sistema nominal ser projetado, o que essencialmente torna o SHM/FM uma solução rápida para problemas após eles ocorrerem, sem considerar como os problemas poderiam ter sido evitados. Além disso, SE e SHM/FM frequentemente envolvem grupos separados de especialistas no assunto com repositórios de conhecimento limitados. Esta situação pode levar ao uso de metodologias de modelagem e processos de análise que produzem resultados inconsistentes e podem potencialmente resultar em ineficiências ao longo do ciclo de vida da missão.

A abordagem desta equipe QSI financiada pela NASA integra SHM/FM diretamente no processo MBSE desde o início de um projeto. Este método permite que o projeto FM seja avaliado em um contexto operacional, mostrando como os esquemas SHM/FM mitigam os efeitos de falhas físicas e funcionais simuladas em nível de componente. Esta técnica também facilita estudos comerciais para avaliar os méritos de várias arquiteturas FM durante a fase de projeto.

No âmbito deste esforço do SBIR, a QSI trabalhou com a equipe de envio do SysML v2 (SST) — um grupo diversificado de usuários finais, fornecedores, acadêmicos e representantes do governo envolvidos no desenvolvimento de especificações para o SysML v2, que é a iteração mais recente do SysML. A equipe do QSI incorporou conceitos de FM e padrões de modelagem no SysML v2 e, em seguida, demonstrou como os modelos do SysML v2 poderiam ser traduzidos nos modelos de espaço de falha produzidos pelo conjunto de ferramentas do QSI.

Esse recurso permite que os engenheiros de sistemas usem o conjunto de ferramentas de modelagem comercial da QSI e analisem os aspectos FM de um projeto de sistema capturado no SysML v2. Ao capturar as causas e impactos das falhas, o conjunto de ferramentas do QSI permite que os projetistas de missão realizem análises de modos de falha, efeitos e criticidade (FMECAs) e análises de árvore de falhas (FTAs) para analisar, quantificar e melhorar o diagnóstico e a disponibilidade do sistema. Além disso, o conjunto de ferramentas recomenda melhorias no projeto (por exemplo, localização ideal dos sensores a bordo da espaçonave) com base nos resultados de tais análises, e fornece essas recomendações em formatos padrão da indústria que podem ser facilmente compreendidos e incorporados no projeto.

Durante este esforço SBIR, o conjunto de ferramentas QSI também foi aprimorado para interagir com uma estrutura MBSE e facilitar a criação, avaliação e seleção de conceitos de FM para um projeto de missão. O conjunto de ferramentas agora permite que os conceitos de FM sejam testados no início do processo de projeto, para que a detecção e o diagnóstico adequados possam ser incorporados ao projeto do sistema, o que poderia potencialmente reduzir o custo total de desenvolvimentofacilitar uma melhor comunicação e coordenação entre os membros da equipa da missão e reduzir os riscos de desenvolvimento (custo e calendário).

HelioSwarm transformará nossa compreensão da turbulência no vento solar e no sistema conectado Sol-Terra. A missão utiliza uma constelação, ou “enxame”, de um hub e oito pequenos satélites em co-órbita para fazer as primeiras medições simultâneas e multiescalares das flutuações do campo magnético e dos fluxos de protões no ambiente espacial cislunar dinâmico. Como a turbulência do plasma transfere energia através de muitas escalas, desde movimentos em escala de fluidos até dinâmicas de partículas em escala cinética, ela não pode ser totalmente compreendida a partir de um único ponto de medição ou a partir de medições em apenas uma única escala. A espaçonave HelioSwarm voará com separações que variam de dezenas a milhares de quilômetros, permitindo aos cientistas reconstruir a estrutura tridimensional e a dinâmica do plasma espacial turbulento. Estas observações revelarão como a energia se move através do vento solar, transformando a nossa compreensão dos processos fundamentais do plasma que operam perto da Terra, em torno do Sol e em todo o universo.

A turbulência do plasma é o processo pelo qual a energia contida nos campos magnéticos flutuantes e no movimento do plasma cai em cascata de escalas espaciais grandes para menores. Quando a cascata se aproxima de pequenas escalas espaciais associadas à dissipação cinética, a energia é transferida para o calor das partículas. Sem cascatas turbulentas nos plasmas espaciais, a maior parte do Universo seria muito mais fria do que o observado. Devido ao papel termodinâmico fundamental que desempenha nos fluidos, incluindo os plasmas espaciais, muitos afirmam que os fluidos turbulentos são o problema não resolvido mais importante da física clássica.

A equipe QSI criou um modelo de design SysML v2 de subsistemas HelioSwarm e requisitos de missão de nível superior, capturando o fluxo dos objetivos da missão até o design. A equipe então usou seu conjunto de ferramentas aprimorado para traduzir o modelo HelioSwarm SysML v2 em um modelo FM. Os modelos HelioSwarm consistem em subsistemas principais da espaçonave central e satélites de oito nós, incluindo subsistemas para comando e manipulação de dados; energia elétrica; controle de atitude; sensores de carga útil de hardware de propulsão, térmicos e de separação; e comunicações terrestres e espaciais. Usando o conjunto de ferramentas QSI, os projetistas da missão geraram FMECAs e FTAs ​​que foram traduzidos em um relatório SysML padronizado. Além disso, essas análises de FM geraram recomendações (por exemplo, para posicionamento de sensores) que foram fornecidas como propostas de atualizações para o projeto do sistema. Este processo apoiará o projeto de pequenos enxames de espaçonaves com redundância inerente para aprimorar as observações científicas e outros objetivos da NASA, como fornecer suporte de missão para operações na superfície lunar.

A tecnologia desenvolvida através deste último esforço do SBIR pode ser de grande valor para futuras missões da NASA – especialmente aquelas que requerem operação autônoma. O conjunto de ferramentas QSI TEAMS® foi baseado nas funções de gerenciamento de sistemas de veículos no projeto Gateway da NASA e mantém a aplicabilidade a futuras espaçonaves com classificação humana. Os engenheiros de projeto de sistemas poderiam usar essa tecnologia para incorporar estratégias de mitigação de falhas para melhorar o projeto com informações adicionais sobre a resiliência geral do sistema – logo no início da fase de projeto.

Esta tecnologia também pode ter aplicações fora da NASA. Análises abrangentes e eficientes de FM e estudos comerciais de arquitetura são de importância crítica para sistemas militares complexos e de alto valor, como aeronaves, navios de superfície, submarinos e até mesmo veículos modernos de combate terrestre. Além disso, esta tecnologia poderia ser aplicável a sistemas espaciais comerciais emergentes, aeronaves civis e sistemas marítimos, transporte e equipamentos de geração e distribuição de energia.
Para obter detalhes adicionais sobre esse esforço, consulte as entradas relevantes do TechPort: aqui, aquie aqui.
Líder(es) do projeto: Dr. Sudipto Ghoshal, Sr. Deepak Haste, Qualtech Systems, Inc.
Organização(ões) patrocinadora(s): Centro de Pesquisa Ames da NASA