Operações de missões espaciais totalmente autônomas exigem a capacidade de detectar falhas e compensá-las sem intervenção humana. Para enfrentar esse desafio e oferecer suporte baseado em modelos ao projeto e às operações dos sistemas, é importante conectar o gerenciamento de falhas (FM) à engenharia de sistemas baseada em modelos (MBSE). Essa abordagem foi demonstrada com sucesso por meio da geração baseada em modelos de uma análise de modos de falha e efeitos e de árvores de falhas, utilizando informações da fase inicial de projeto da missão HelioSwarm, da NASA.
À medida que a NASA busca ampliar os limites das viagens espaciais com o programa Artemis e as próximas missões científicas da agência ao espaço profundo, o aumento da autonomia e da resiliência dos sistemas tornou-se inevitavelmente uma necessidade tecnológica fundamental. As operações autônomas exigem um software de gerenciamento de falhas (FM) para detectar problemas que ocorram no espaço, permitindo que sejam automaticamente mitigados sem intervenção humana . O projeto de missões autônomas exige uma abordagem multidisciplinar que conecte o FM à abordagem de engenharia de sistemas baseada em modelos (MBSE), utilizada no projeto de missões, para garantir que sistemas resilientes e tolerantes a falhas sejam estruturados, modelados e integrados durante a fase de projeto.
Para atender a essa necessidade, a NASA concedeu à Qualtech Systems Inc. (QSI) um contrato de Fase II do programa Small Business Innovation Research (SBIR) para desenvolver capacidades de FM e aprimoramentos para seu conjunto de ferramentas comercialmente disponível, TEAMS® (um produto resultante da comercialização de trabalhos anteriores da empresa patrocinados pela NASA no âmbito do SBIR), a fim de dar suporte à HelioSwarm e a outras missões de heli física da NASA.
A abordagem da QSI
Uma das tarefas mais importantes desse esforço foi conectar o gerenciamento da saúde do sistema (SHM) e o FM ao processo de engenharia de sistemas (SE). Em conjunto, SHM/FM consiste em um conjunto de mecanismos que garantem o cumprimento dos objetivos da missão, prevenindo a ocorrência de falhas ou detectando-as e mitigando-as quando ocorrem. O processo de SE coordena, verifica e integra os elementos do sistema para atingir os objetivos da missão e é fundamental durante o projeto, a especificação e a verificação e validação (V&V) dos sistemas. A NASA frequentemente emprega uma abordagem baseada em modelos para seu processo de SE, usando a Systems Modeling Language (SysML) como estrutura.
Apesar de sua relação intrinsecamente próxima com a SE na prática, as práticas de SHM/FM normalmente não são estreitamente integradas à SE. Muitas vezes, o SHM/FM é incorporado somente depois que um sistema nominal foi projetado, o que essencialmente transforma o SHM/FM em uma solução paliativa para problemas depois que eles ocorrem, sem considerar como eles poderiam ter sido evitados. Além disso, a SE e o SHM/FM frequentemente envolvem conjuntos separados de especialistas, com repositórios de conhecimento isolados. Essa situação pode levar ao uso de metodologias de modelagem e processos de análise que produzem resultados inconsistentes e pode resultar em ineficiências ao longo de todo o ciclo de vida da missão.
A abordagem da equipe da QSI, financiada pela NASA, integra diretamente o SHM/FM ao processo de MBSE desde o início de um projeto. Esse método permite avaliar o projeto de FM em um contexto operacional, mostrando como os esquemas de SHM/FM mitigam os efeitos de falhas físicas e funcionais simuladas no nível dos componentes. A técnica também facilita estudos de trade-off para avaliar os méritos de várias arquiteturas de FM durante a fase de projeto.
No âmbito desse esforço de SBIR, a QSI trabalhou com a SysML v2 Submission Team (SST) — um grupo diversificado de usuários finais, fornecedores, acadêmicos e representantes de órgãos governamentais envolvidos no desenvolvimento das especificações da SysML v2, a mais recente versão da SysML. A equipe da QSI incorporou conceitos de FM e padrões de modelagem à SysML v2 e, em seguida, demonstrou como os modelos da SysML v2 poderiam ser convertidos nos modelos do espaço de falhas produzidos pelo conjunto de ferramentas da QSI.
Essa capacidade permite que engenheiros de sistemas usem o conjunto comercial de ferramentas de modelagem da QSI e analisem os aspectos de FM de um projeto de sistema capturado na SysML v2. Ao registrar as causas e os impactos das falhas, o conjunto de ferramentas da QSI permite que os projetistas de missões realizem análises de modos de falha, efeitos e criticidade (FMECAs) e análises de árvores 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, a localização ideal de sensores a bordo da nave espacial — com base nos resultados dessas análises e fornece essas recomendações em formatos padronizados pela indústria, que podem ser facilmente compreendidos e incorporados ao projeto.
Durante esse esforço de SBIR, o conjunto de ferramentas da QSI também foi aprimorado para fazer interface com uma estrutura de MBSE e facilitar a criação, a avaliação e a seleção de conceitos de FM para um projeto de missão. Agora, o conjunto de ferramentas permite testar conceitos de FM ainda no início do processo de projeto, para que recursos adequados de detecção e diagnóstico possam ser incorporados ao projeto do sistema, o que poderia
reduzir o custo total de desenvolvimento
, facilitar uma comunicação e uma coordenação aprimoradas entre os integrantes da equipe da missão e reduzir os riscos de desenvolvimento (de custo e de cronograma).
A demonstração da HelioSwarm
A HelioSwarm transformará nossa compreensão da turbulência no vento solar e no sistema conectado Sol–Terra. A missão utiliza uma constelação, ou “enxame”, composta por uma nave espacial central e oito pequenos satélites em órbitas aproximadamente coincidentes, para realizar as primeiras medições simultâneas e multiescala das flutuações do campo magnético e dos fluxos de prótons no dinâmico ambiente espacial cislunar. Como a turbulência de plasma transfere energia entre muitas escalas, desde movimentos na escala dos fluidos até a dinâmica de partículas na escala cinética, ela não pode ser plenamente compreendida a partir de um único ponto de medição ou de medições realizadas em apenas uma escala. As naves espaciais da HelioSwarm voarão com separações que variarão 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 desloca pelo vento solar, transformando nossa compreensão dos processos fundamentais do plasma que operam perto da Terra, ao redor do Sol e por todo o universo.
A turbulência de plasma é o processo pelo qual a energia contida em campos magnéticos flutuantes e no movimento do plasma passa de grandes para menores escalas espaciais. Quando essa 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 é observado. Como desempenha um papel termodinâmico fundamental nos fluidos, incluindo os plasmas espaciais, muitos consideram que os fluidos turbulentos constituem o problema não resolvido mais importante da física clássica.
A equipe da QSI criou um modelo de projeto em SysML v2 dos subsistemas da HelioSwarm e dos requisitos de alto nível da missão, registrando o desdobramento desde os objetivos da missão até o projeto. Em seguida, a equipe utilizou seu conjunto de ferramentas aprimorado para converter o modelo SysML v2 da HelioSwarm em um modelo de FM. Os modelos da HelioSwarm incluem os principais subsistemas da nave espacial central e dos oito satélites-nó, incluindo subsistemas de comando e tratamento de dados; energia elétrica; controle de atitude; propulsão; equipamentos térmicos e de separação; sensores de carga útil; e comunicações de solo e espaciais. Usando o conjunto de ferramentas da QSI, os projetistas da missão geraram FMECAs e FTAs, que foram convertidas em um relatório SysML padronizado. Além disso, essas análises de FM geraram recomendações — por exemplo, para o posicionamento dos sensores — que foram fornecidas como atualizações propostas para o projeto do sistema. Esse processo apoiará o projeto de enxames de pequenas naves espaciais com redundância integrada, aprimorando as observações científicas e outros objetivos da NASA, como oferecer suporte a missões de operações na superfície lunar.
Relevância para futuras missões da NASA e aplicações fora da NASA
A tecnologia desenvolvida por meio deste mais recente esforço de SBIR poderá ter grande valor para futuras missões da NASA — especialmente aquelas que exigem operação autônoma. O conjunto de ferramentas QSI TEAMS® foi estabelecido como referência para funções de gerenciamento de sistemas de veículos no projeto Gateway, da NASA, e continua aplicável a futuras naves espaciais tripuladas. Engenheiros de projeto de sistemas poderiam usar essa tecnologia para incorporar estratégias de mitigação de falhas e aprimorar o projeto, obtendo uma visão mais ampla da resiliência geral do sistema — já no início da fase de projeto.
Essa tecnologia também pode ter aplicações fora da NASA. Análises abrangentes e eficientes de FM e estudos de trade-off de arquiteturas são de importância crítica para sistemas militares complexos e de alto valor, como aeronaves, navios de superfície, submarinos e até modernos veículos de combate terrestres. Além disso, essa tecnologia poderia ser aplicável a sistemas espaciais comerciais emergentes, aeronaves civis e sistemas marítimos, transportes e equipamentos de geração e distribuição de energia. Para obter mais detalhes sobre esse esforço, consulte as entradas relevantes no TechPort: aqui , aqui e aqui .
Líderes do projeto: Dr. Sudipto Ghoshal, Mr. Deepak Haste, Qualtech Systems, Inc.
Organização(ões) patrocinadora(s): NASA Ames Research Center