Operações de missões espaciais totalmente autônomas exigem a capacidade de detectar falhas e compensá-las sem intervenção humana. Para enfrentar esse desafio e fornecer suporte baseado em modelo para o design e operações do sistema, é importante conectar a gestão de falhas (FM) com a engenharia de sistemas baseada em modelo (MBSE). Essa abordagem foi demonstrada com sucesso através da geração baseada em modelo de uma análise de modos de falha e efeitos e árvores de falhas usando as informações de design inicial da missão HelioSwarm da NASA.
Enquanto a NASA busca empurrar os limites da exploração espacial com o programa Artemis e as futuras missões de ciência em profundidade da agência, o aumento da autonomia e resiliência do sistema se tornaram inevitavelmente necessidades tecnológicas-chave. Operações autônomas exigem software de gestão de falhas (FM) para detectar problemas que ocorrem no espaço, de modo que possam ser mitigados automaticamente sem intervenção humana.. O design de missões autônomas requer uma abordagem multidisciplinar que conecta a FM com a abordagem de engenharia de sistemas baseada em modelo (MBSE) usada no design de missões para garantir que sistemas resilientes e tolerantes a falhas sejam arquitetados, modelados e integrados durante a fase de design.
Para atender a essa necessidade, a NASA concedeu um contrato de Fase II de Pesquisa e Desenvolvimento de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) à Qualtech Systems Inc. (QSI) para o desenvolvimento de capacidades FM e melhorias em seu conjunto de ferramentas comercialmente disponível, TEAMS® (um produto que resultou da comercialização do trabalho anterior da empresa patrocinado pela NASA SBIR), para apoiarHelioSwarme outras missões de heliofísica da NASA.
A Abordagem da QSI
Uma das tarefas mais importantes nesse esforço foi conectar a gestão da saúde do sistema (SHM) e o FM ao processo de engenharia de sistemas (SE). Juntos, SHM/FM consistem em um conjunto de mecanismos que garantem que os objetivos da missão sejam alcançados, prevenindo falhas ou detectando e mitigando-as caso ocorram. O processo de SE coordena, verifica cruzadamente e integra elementos do sistema para alcançar os objetivos da missão e é integral durante o design, especificação e verificação e validação (V&V) dos sistemas. A NASA frequentemente emprega uma abordagem baseada em modelo para seu processo de SE, utilizando a Linguagem de Modelagem de Sistemas (SysML) como estrutura.
Apesar de sua relação inerentemente próxima com o SE na prática, as práticas de SHM/FM tipicamente não foram integradas estritamente com o SE. Muitas vezes, o SHM/FM é incorporado apenas após o design do sistema nominal, o que torna o SHM/FM essencialmente uma solução temporária para problemas após eles ocorrerem, sem considerar como as questões poderiam ter sido prevenidas. Além disso, o SE e o SHM/FM frequentemente envolvem conjuntos separados de especialistas com repositórios de conhecimento estanques. Essa situação pode levar ao uso de metodologias de modelagem e processos de análise inconsistentes, e potencialmente resultar em ineficiências ao longo do ciclo de vida da missão.
A abordagem da equipe da QSI, financiada pela NASA, integra diretamente o SHM/FM no processo de Engenharia Baseada em Modelo (MBSE) desde o início de um projeto. Esse método permite que o design FM seja avaliado em um contexto operacional, mostrando como os esquemas SHM/FM mitigam os efeitos de falhas físicas e funcionais simuladas no nível do componente. Essa técnica também facilita estudos de troca para avaliar os méritos de várias arquiteturas FM durante a fase de design.
Sob este esforço SBIR, a QSI trabalhou com a Equipe de Submissão SysML v2 (SST) — um grupo diversificado de usuários finais, fornecedores, acadêmicos e ligações governamentais envolvidos no desenvolvimento de especificações para a versão 2 do SysML, a mais recente iteração do SysML. A equipe da QSI incorporou conceitos FM e padrões de modelagem no SysML v2, demonstrando, em seguida, como os modelos SysML v2 poderiam ser traduzidos para os modelos de espaço de falhas produzidos pelo conjunto de ferramentas da QSI.
Essa capacidade permite que engenheiros de sistemas utilizem o conjunto de ferramentas de modelagem comercial da QSI e analisem os aspectos de gerenciamento de falhas de um projeto de sistema capturado no SysML v2. Ao capturar as causas e impactos de falhas, o conjunto de ferramentas da QSI permite que projetistas de missões realizem Análises de Modos de Falha, Efeitos e Importância (FMECAs) e Análises de Árvore de Falhas (FTAs) para analisar, quantificar e melhorar os diagnósticos e a disponibilidade do sistema. Além disso, o conjunto de ferramentas recomenda melhorias de projeto (por exemplo, localização ótima de sensores a bordo da espaçonave) com base nos resultados dessas análises e fornece essas recomendações em formatos padrão da indústria que podem ser facilmente compreendidos e incorporados ao projeto.
Durante este esforço SBIR, o conjunto de ferramentas QSI também foi aprimorado para interagir com um framework MBSE e facilitar a criação, avaliação e seleção de conceitos FM para um projeto de missão. O conjunto de ferramentas agora permite que os conceitos FM sejam testados cedo no processo de design, de modo que a detecção e o diagnóstico adequados possam ser incorporados ao projeto do sistema, o que poderia potencialmenteReduzir o custo total de desenvolvimentoFacilitar a comunicação aprimorada e a coordenação entre os membros da equipe da missão, bem como reduzir os riscos de desenvolvimento (custo e cronograma).
Demonstração HelioSwarm
O HelioSwarm transformará nossa compreensão da turbulência no vento solar e no sistema Terra-Sol conectado. A missão utiliza uma constelação, ou "enxame", de um hub central e oito satélites pequenos em órbita cossimilar para realizar as primeiras medições simultâneas e multiescala de flutuações de campo magnético e fluxos de prótons no dinâmico ambiente espacial cislunar. Como a turbulência de plasma transfere energia através de muitas escalas, desde movimentos em escala de fluido até dinâmicas de partículas em escala cinética, não pode ser totalmente compreendida a partir de um único ponto de medição, ou apenas de medições em uma única escala. Os satélites do HelioSwarm voarão com separações variando de dezenas a milhares de quilômetros, permitindo que os cientistas reconstruam a estrutura tridimensional e a dinâmica do plasma espacial turbulento. Essas observações revelarão como a energia se move pelo vento solar, transformando nossa compreensão dos processos de plasma fundamentais que operam perto da Terra, ao redor do Sol e por todo o universo.
A turbulência do plasma é o processo pelo qual a energia contida em campos magnéticos oscilantes e no movimento do plasma desce de escalas espaciais grandes para menores. Quando a cascata se aproxima de escalas espaciais pequenas associadas à dissipação cinética, a energia é transferida para o calor das partículas. Sem cascatas turbulentas em plasmas espaciais, grande parte do universo seria muito mais fria do que a observada. Devido ao seu papel termodinâmico fundamental em fluidos, incluindo plasmas espaciais, muitos argumentam que fluidos turbulentos são o problema mais importante não resolvido na física clássica.
A equipe do QSI criou um modelo de design SysML v2 dos subsistemas HelioSwarm e dos requisitos de missão de alto nível, capturando o fluxo de baixo para cima dos objetivos da missão para o design. A equipe então utilizou sua ferramenta aprimorada para traduzir o modelo SysML v2 do HelioSwarm para um modelo FM. Os modelos HelioSwarm consistem em subsistemas-chave da nave espacial central e de oito satélites nódos, incluindo subsistemas de manuseio de comandos e dados; energia elétrica; controle de atitude; propulsão, sensores de hardware de carga térmica e separação; e comunicações terrestres e espaciais. Utilizando a ferramenta QSI, os projetistas de missão geraram então FMECAs e FTAs que foram traduzidos para um relatório padronizado SysML. Além disso, essas análises FM geraram recomendações (por exemplo, para posicionamento de sensores) que foram fornecidas como atualizações propostas para o design do sistema. Este processo apoiará o design de swarms de pequenas naves espaciais com redundância inerente para aprimorar observações científicas e outras metas da NASA, como fornecer suporte de missão para operações na superfície lunar.
Relevância para missões futuras da NASA e aplicações não-NASA
A tecnologia desenvolvida por meio deste esforço mais recente do SBIR poderia ser de alto valor para missões futuras da NASA — especialmente aquelas que exigem operação autônoma. O conjunto de ferramentas QSI TEAMS® foi padronizado para funções de Gestão de Sistemas de Veículos no projeto Gateway da NASA e mantém sua aplicabilidade em futuras naves espaciais tripuladas. Engenheiros de design de sistemas poderiam usar essa tecnologia para incorporar estratégias de mitigação de falhas a fim de melhorar o design com insights adicionais sobre a resiliência geral do sistema — já no início da fase de design.
Essa tecnologia também pode ter aplicações fora da NASA. Análises FM abrangentes e eficientes e estudos de troca de arquitetura são de extrema importância para sistemas militares complexos e de alto valor, como aeronaves, navios de superfície, submarinos e até mesmo veículos de combate terrestres modernos. Além disso, essa tecnologia poderia ser aplicável a sistemas espaciais comerciais emergentes, aeronaves civis e sistemas marítimos, transporte e equipamentos de geração e distribuição de energia.
Para mais detalhes sobre este esforço, consulte as entradas relevantes do TechPort:aqui, aquieaqui.
Líder(es) do Projeto:Dr. Sudipto Ghoshal, Sr. Deepak Haste, Qualtech Systems, Inc.
Organização(ões) Patrocinadora(s):Centro de Pesquisa NASA Ames
