La NASA es reconocida en todo el mundo por su habilidad para llevar a cabo misiones espaciales exitosas. Desde los alunizajes en la década de 1960 hasta las misiones más recientes a Marte, la NASA ha logrado avances significativos en la exploración espacial. Pero, ¿cuál es el principal factor de éxito detrás de los proyectos espaciales de la NASA? La respuesta es la ingeniería de sistemas, el proceso que la agencia espacial utiliza para diseñar, desarrollar y operar naves espaciales y sistemas de soporte de vida en entornos hostiles del espacio. En este artículo, exploraremos en detalle el proceso de ingeniería de sistemas espaciales de la NASA, con un enfoque en el análisis y diseño de misiones, la descomposición del proyecto en subsistemas, la verificación y la validación.

Análisis y diseño de una misión

El proceso de análisis y diseño de una misión comienza con la definición de los objetivos y requisitos del proyecto. Los ingenieros de sistemas trabajan con científicos, analistas de misión y otros expertos para determinar las metas de la misión, la duración, la órbita, la carga útil y otros detalles relevantes. Durante este proceso, se lleva a cabo una evaluación exhaustiva de las tecnologías disponibles y se toman en cuenta las limitaciones del presupuesto y la planificación.

A partir de esta definición, se desarrolla un concepto de misión que describe la arquitectura de la misión, incluyendo los componentes y subsistemas necesarios para llevar a cabo la misión. El concepto de misión también incluye el análisis de riesgos y la identificación de mitigaciones potenciales. La fase de diseño conceptual se completa con la selección del enfoque de diseño más apropiado para la misión, que incluye una evaluación de la viabilidad técnica, la disponibilidad de recursos y el tiempo requerido para completar el proyecto.

Descomposición del proyecto en subsistemas

Una vez que se ha definido el concepto de misión y se ha seleccionado el enfoque de diseño adecuado, el siguiente paso es la descomposición del proyecto en subsistemas. Esto implica la identificación de los subsistemas y componentes individuales necesarios para llevar a cabo la misión, así como la definición de los requisitos específicos para cada subsistema. 

Los subsistemas típicos de una nave espacial incluyen la estructura, los sistemas de propulsión, los sistemas de energía, los sistemas de comunicación, los sistemas de navegación, los sistemas de control de actitud y los sistemas de carga útil. Cada uno de estos subsistemas es diseñado y desarrollado por un equipo de ingenieros especializados en el área correspondiente.

La descomposición del proyecto en subsistemas es una parte crítica del proceso de ingeniería de sistemas espaciales, ya que garantiza la integración efectiva de todos los componentes de la nave espacial y la compatibilidad de los subsistemas individuales. Cada subsistema debe ser diseñado para cumplir con los requisitos específicos de la misión y debe integrarse de manera segura y efectiva con los demás subsistemas.

Ejemplos de requisitos para los subsistemas de una misión, son los siguientes::

• El subsistema de la computadora de abordo debe ser capaz de ejecutar el software de la nave espacial de manera eficiente y confiable, y tener la capacidad de procesamiento necesaria para manejar las cargas útiles de la misión. 

• El subsistema de energía debe ser capaz de generar y almacenar energía suficiente para la misión, y tener sistemas redundantes en caso de falla.

• El subsistema de comunicaciones debe cumplir con los  requisitos de transmisión de datos para enviar información de la carga útil y recibir comandos de la estación terrestre. 

Estos requisitos no son opiniones, sino que se deben expresar en términos cuantitativos o bien deben de apegarse a normas. Además, es importante tener en cuenta el costo y la masa de cada subsistema para asegurarse de que se ajusten a los límites y requisitos de la misión.

Verificación y Validación

La verificación y validación son procesos críticos en la ingeniería de sistemas espaciales, que aseguran que la nave espacial y sus subsistemas funcionen de manera efectiva y confiable. La verificación es el proceso de evaluación y confirmación de que cada componente y subsistema cumple con sus requisitos específicos, mientras que la validación es el proceso de evaluación y confirmación de que el sistema en su conjunto cumple con los objetivos de la misión

La verificación y validación se llevan a cabo a lo largo de todo el proceso de desarrollo de la nave espacial, desde el diseño conceptual hasta la integración y la prueba final. Los requisitos de la misión y los requisitos de los subsistemas individuales se utilizan como base para desarrollar los procedimientos de verificación y validación.

Durante la fase de verificación, los ingenieros prueban y evalúan cada componente y subsistema para asegurarse de que cumplan con sus requisitos específicos. Esto puede implicar pruebas en tierra y en el espacio, simulaciones de software y pruebas ambientales en condiciones similares a las que se experimentarán en el espacio.

La fase de validación implica la integración de todos los subsistemas en un sistema completo y la realización de pruebas para evaluar el rendimiento del sistema en su conjunto. Estas pruebas pueden incluir simulaciones completas de la misión, pruebas en tierra y pruebas en el espacio.

Una vez completada la fase de verificación y validación, se lleva a cabo la integración final de los subsistemas y componentes en la nave espacial completa. Durante esta fase, se realizan una serie de pruebas y verificaciones adicionales para garantizar que la nave espacial esté lista para su lanzamiento.

La clave del éxito

El proceso de ingeniería de sistemas espaciales es un proceso riguroso y complejo que implica una planificación detallada, una gestión efectiva de riesgos y una integración cuidadosa de subsistemas y componentes. Desde la definición de los objetivos y requisitos de la misión, hasta la descomposición del proyecto en subsistemas, la verificación y la validación, cada paso del proceso es crítico para el éxito del proyecto.

La NASA ha desarrollado un proceso detallado para el diseño y construcción de sistemas espaciales que se ha utilizado para desarrollar algunas de las misiones más icónicas de la historia, incluyendo el programa Apollo y el Telescopio Espacial Hubble. Este proceso se basa en la colaboración y el trabajo en equipo entre científicos, ingenieros y otros expertos, y se enfoca en la selección cuidadosa de componentes y subsistemas para garantizar la confiabilidad y el rendimiento.

A medida que la tecnología y la comprensión de los sistemas espaciales continúan evolucionando, es probable que surjan nuevos desafíos en el proceso de ingeniería de sistemas espaciales. La capacidad de abordar estos desafíos y adaptar el proceso a medida que avanza la tecnología será clave para el éxito continuo de los sistemas espaciales y para la exploración y el descubrimiento en el espacio.