Introducción a la ingeniería de sistemas espaciales

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2018-04-02


Los proyectos espaciales son generalmente muy complejos y requieren de la intervención de  equipos de trabajo multidisciplinarios en los que debe existir una muy alta coordinación. Asimismo, las especificaciones de los subsistemas que constituyen un proyecto espacial son muy estrictas, por lo que una pequeña desviación entre lo especificado y lo desarrollado puede ser la diferencia entre el éxito y el fracaso de una misión. Por lo tanto,  para realizar un proyecto espacial se requiere de un proceso disciplinado y sistemático que garantice la interacción entre los diferentes equipos de trabajo y que al final los sistemas desarrollados cumplan cabalmente con los requisitos de la misión. Es por esto que los proyectos espaciales se apoyan en la ingeniería de sistemas.

 

La ingeniería de sistemas es una disciplina  que sirve para guiar el diseño, desarrollo y operación de sistemas complejos y garantizar que el sistema desarrollado cumple con las especificaciones del proyecto. De acuerdo con el NASA Systems Engineering Handbook, “...la Ingeniería de Sistemas es un enfoque disciplinado para la definición, implementación, integración y operación de un sistema (producto o servicio) con énfasis en la satisfacción de los requisitos de las partes interesadas en cuanto a rendimiento, funcionalidad, parámetros físicos  y operativos, en los ambientes de uso y del ciclo de vida previstos de un proyecto dentro de las restricciones de costo y tiempo de ejecución. La Ingeniería de Sistemas incluye actividades de ingeniería y actividades de administración relacionadas con la definición anterior considerando las relaciones de interfaz a través de todos los elementos del sistema, otros sistemas o como parte de un sistema más amplio ."

 

De acuerdo a esta definición, la ingeniería de sistemas es un proceso de arriba hacia abajo que transforma un conjunto de necesidades y requisitos en un conjunto de sistemas, productos  y procesos que, integrados convenientemente cumplen con la misión de un proyecto. El proceso de ingeniería de sistemas, consta de tres tareas principales:

 

1) Etapa de definición y descomposición

 

Esta etapa tiene que ver con definir con precisión qué se quiere obtener y a partir de eso definir una arquitectura del diseño, es decir un modelo a detalle de todo el sistema a desarrollar en términos de subsistemas y cómo éstos se relacionan e interactúan entre sí.

 

2) Etapa de integración y validación.

 

Una vez definida la arquitectura de diseño se procede a desarrollar o adquirir cada uno de los subsistemas que conforman la solución escogida. Estos subsistemas generalmente los desarrollan diferentes equipos de trabajo que deben estar coordinados entre sí. Una vez fabricados o comprados, cada sistema debe probarse individualmente, para luego conectarse y verificar que todo el sistema cumpla con los requerimientos establecidos en el paso anterior.


 

3) Administración del proyecto.

 

Esta actividad es transversal a las etapas anteriores e incluye la planificación, organización y control del desarrollo técnico, así como el seguimiento de costos, tiempos y calidad del proyecto.

 

Las tareas anteriores se pueden descomponer en los siguientes pasos, como se muestra en la Figura 1.

 

  • Definición de la misión

  • Investigación de alternativas

  • Diseño preliminar

  • Diseño final

  • Fabricación

  • Verificación de componentes, subsistemas y el sistema completo

  • Demostración y validación del sistema

 

Independientemente de cuánto tiempo tome, el diseño y desarrollo de los sistemas espaciales típicamente ocurre en fases identificadas como: definición de requisitos, diseño conceptual, diseño preliminar y diseño detallado (o crítico). Estas fases y sus relaciones secuenciales se muestran en la figura 1.

 

Proceso de ingeniería de sistemas.jpg

Figura 1. Proceso de la ingeniería de sistemas

 

Definición de la misión

Antes de iniciar cualquier proyecto es necesario establecer cuáles son los resultados esperados, ya que sin una comprensión clara de lo que debe hacerse se corre el riesgo de generar diseños incoherentes, interfaces descoordinadas o duplicación de esfuerzos.

 

Es por eso que el primer paso en el proceso de la ingeniería de sistemas es plantear una declaración de la misión u objetivos a alcanzar. Esta declaración de misión se debe plantear en términos de lo que el sistema debe hacer y no en cómo debe hacerlo, es decir no debe existir ningún prejuicio en relación a la solución del problema.

 

Hay muchas formas en que se puede expresar el enunciado de la misión. Se puede definir en palabras o como un modelo, sin embargo lo más importante es que esta declaración provenga de los actores involucrados en el proyecto y puede incluir a los usuarios finales, clientes patrocinadores, proveedores, compradores,  operadores, técnicos, agencias reguladoras, fabricantes y otras partes interesadas.

 

Un ejemplo de enunciado de misión podría ser “Desarrollar un sistema que permita observar en el espectro visible todo el territorio de México, incluyendo su mar territorial, con una resolución espacial de 2 metros y un tiempo de revisita máximo de dos semanas“. Nótese que el enunciado de misión expresa la solución de una necesidad y no dice cómo resolverla.

 

Una vez que se establece el enunciado de la misión es necesario traducir este enunciado en términos de requisitos y establecer las restricciones a las que estará sujeto el proyecto en términos de presupuesto y tiempo de ejecución. Los requisitos definen lo que se va a hacer, qué tan bien se va a hacer, y bajo qué restricciones, y constituyen una herramienta de comunicación entre todos los actores del proyecto. Esta etapa es una de las más importantes en el proceso de ingeniería de sistemas y es donde se debe poner la mayor atención.

 

Los requisitos se pueden dividir entre requisitos obligatorios y requisitos opcionales. Los primeros son aquéllos que el sistema debe de tener para cumplir con la misión, mientras que los segundos los aquéllos que son deseables incorporar para mejorar su desempeño.

 

Investigación de alternativas

 

Una vez que se tiene claro el enunciado de la misión, los requisitos y las restricciones del sistema, lo que sigue es proponer una serie de soluciones que resuelvan el problema. Estas soluciones también son llamadas Conceptos de Operación y constituyen diferentes formas de lograr la misión. Es importante que, al proponer estas alternativas se deberá comenzar con explorar soluciones existentes ya probadas, y, únicamente hasta agotar esta posibilidad, concebir soluciones nuevas.

 

Acto seguido, las alternativas propuestas tendrán que evaluarse en términos de diferentes criterios como costo, tiempo de producción, riesgo, etc., y compararse entre sí, para luego tomar una decisión en cuanto a cuál es la óptima para solucionar la necesidad propuesta.  La evaluación de las distintas alternativas se puede auxiliar de uso de modelos matemáticos, simulaciones, así como prototipos físicos.

 

Diseño preliminar

 

Una vez que se selecciona una alternativa de diseño, se procede a realizar el diseño preliminar. En esta fase se analizan y refinan variaciones del Concepto de Operación elegido en la fase de investigación de alternativas, se definen las especificaciones a nivel de subsistema y componente, y se escriben documentos tales como el Documento de Control de Interfaces que especifica las interfaces eléctricas, mecánicas y térmicas entre todos los subsistemas del diseño preliminar.

 

Asimismo, se justifica el desempeño anticipado de los sistemas y subsistemas, y se identifica una lista de partes preliminar a partir de las especificaciones detalladas.

 

En el diseño preliminar es imperativo utilizar subsistemas ya probados hasta donde sea posible y concentrar los esfuerzos de diseño en partes del sistema que sean únicas, por ejemplo la carga útil. Esto es muy importante, porque cada solución nueva implica riesgos enormes en la operación del sistema.

 

Una parte importante del diseño preliminar es la especificación del software del sistema. Aquí se deberán definir las rutinas principales del sistema así como sus interfaces.

 

Diseño final

 

El diseño final, también llamado diseño crítico o de detalle, consiste en el desarrollo a detalle de todos los sistemas y subsistemas que integran el sistema espacial.

 

Integración del sistema propuesto

 

La fase de integración en el proceso de ingeniería de sistemas es una de los más difíciles ya que expone las dificultades respecto a cómo los subsistemas se unen para crear el sistema principal. El elemento de integración del proceso de ingeniería de sistemas consiste en llevar a los diferentes elementos juntos para que funcionen como un todo. Esta actividad a menudo puede tomar mucho más tiempo de lo que se espera.

 

Fabricación

 

Muchas veces, en la etapa de integración del sistema propuesto, se cuenta con subsistemas que no están en su configuración física final. Los subsistemas realizan la operación que deben hacer desde el punto de vista funcional, pero no se han desarrollado para cumplir con los requisitos de forma, masa, o resistencia a las condiciones ambientales. En este caso, estos subsistemas deberán fabricarse para cumplir con los requisitos anteriores.

 

Verificación de componentes, subsistemas y el sistema completo

 

Una vez fabricado el sistema, hay que verificar que cumple con los requisitos de la misión. Para esto hay que someterlo a pruebas estrictas que tomen en cuenta diferentes escenarios y ambientes de operación. Estas pruebas se realizan desde el nivel componente hasta el nivel sistema completo, pasando por el nivel subsistema. Las pruebas son de dos tipos: pruebas de funcionamiento y pruebas ambientales.

 

Pruebas de funcionamiento

 

Las pruebas de funcionamiento aseguran que cada componente, subsistema y el sistema completo, se comporten de acuerdo a lo esperado y cumplan con los requisitos de la misión en términos operativos. Por ejemplo, el subsistema de potencia debe entregar los voltajes y corrientes especificados, bajo los distintos modos de operación esperados y comportarse de cierta manera ante cargas inesperadas. Las pruebas de funcionamiento generalmente se realizan en un ambiente de laboratorio y lo que arrojan es una indicación de que tanto los componentes, los subsistemas así como el sistema completo cumplen de manera funcional con los requisitos de la misión. En esta etapa, cualquier desviación del comportamiento respecto a lo esperado deberá corregirse hasta contar con un sistema que cumpla con los requisitos de la misión.

 

Pruebas ambientales

 

Una vez que el sistema ha pasado las pruebas de funcionamiento, éste deberá someterse a pruebas ambientales. En estas pruebas se simulan diferentes condiciones del ambiente a las que estará sujeto el sistema espacial en las diferentes etapas de su operación. Estas pruebas pueden incluir: pruebas de vibración y ruido para asegurar que el sistema resiste el estrés del lanzamiento; pruebas de termo-vacío, para asegurar que el sistema resistirá el vacío del espacio y los cambios de temperatura causados por su exposición a diferentes ambientes espaciales; pruebas de radiación, para asegurar que el sistema resistirá la radiación de partículas cargadas que existen en el espacio exterior. El tipo de pruebas depende de la misión, por lo que para especificarlas se deberá conocer con gran grado de precisión los ambientes esperados a los que se someterá el sistema espacial durante todo su ciclo de vida. El sistema desarrollado deberá pasar todas las pruebas ambientales antes de ser considerado apto para vuelo. En caso contrario, se deberán hacer las correcciones pertinentes en el diseño o en los componentes o subsistemas hasta conseguir que el sistema pase todas las pruebas.

 

Operación

 

La operación del sistema es la prueba de fuego de su funcionamiento. Una buena operación es el resultado de una buena práctica de ingeniería de sistemas. Durante la operación se deberán registrar todos los parámetros a los que se tenga acceso, asegurar que se encuentran dentro de especificaciones y realizar las acciones correctivas, de ser el caso, para asegurar el éxito de la misión.

 

Evaluación

 

La participación de la ingeniería de sistemas en el desarrollo de sistemas espaciales no acaba cuando el sistema cumple con su misión. Una vez que concluye la misión, hay que hacer una evaluación sobre su desempeño y reflexionar sobre las cosas que salieron bien y sobre las que no salieron tan bien. Al final de todo proyecto siempre habrá lecciones aprendidas que hay que documentar y capitalizar para el mejoramiento de los procesos futuros.

 

El proceso de ingeniería de sistemas no es totalmente secuencial, ya que algunas funciones se realizan de manera iterativa y en cada iteración se van haciendo ajustes para garantizar que  al final se cumpla con los objetivos del diseño, costos y tiempos asignados.

 

En resumen, la Ingeniería de sistemas proporciona un enfoque sistemático disciplinado para definir, para cada miembro del equipo de desarrollo, lo que debe hacer para que el proyecto tenga éxito y se aplica a todos los elementos de un sistema y a todos los niveles jerárquicos de un sistema durante el todo el ciclo de vida del proyecto.

 

La causa del fracaso de muchos sistemas espaciales es principalmente una falta de especificaciones estrictas de lo que se requiere que el sistema haga y de la interconexión de los diferentes subsistemas que conforman el sistema. Es por esto que la aplicación de la ingeniería de sistemas es crucial para aumentar la probabilidad de éxito de los proyectos espaciales.



Etiquetas: Ingeniería de Sistemas Espaciales.

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Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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