LONDON (IT BOLTWISE) – Für vollständig autonome Raumfahrtmissionen braucht es Fault-Management, das Störungen erkennt und ohne menschliches Eingreifen kompensiert. Laut NASA-bericht wird genau diese Lücke zwischen Fault Management (FM) und Modellbasierter Systemtechnik (MBSE) überbrückt, damit resiliente Architekturen schon in der Entwurfsphase entstehen. Im Fokus steht ein SBIR-Vorhaben, das FM-Konzepte und Standards in SysML v2 integriert und sie direkt in Failure-Modelle übersetzt. Am Beispiel HelioSwarm zeigen die Teams, wie aus FMECAs und Fault Trees Design-Entscheidungen wie die Platzierung von Sensoren ableitbar werden.
Autonome Raumfahrt ist längst mehr als eine Frage von Navigationsalgorithmen. Sobald ein Raumschiff ohne Bodenkontakt arbeiten soll, entscheidet die Fähigkeit, Fehler frühzeitig zu erkennen und systematisch zu kompensieren, darüber, ob Missionen ihre Ziele erreichen. Genau hier setzt der Ansatz an, Fault Management (FM) nicht als nachgelagerte Rettungsmaßnahme zu behandeln, sondern als Teil der technischen Systemkonstruktion von Beginn an: Die NASA verknüpft dafür FM mit Modell-basierter Systemtechnik, konkret indem sie Mechanismen aus System Health Management (SHM) und FM eng in den Systems-Engineering-Prozess mit hineinzieht.
Im klassischen Vorgehen tauchen SHM-/FM-Themen häufig erst dann auf, wenn ein nominales System bereits entworfen ist. Das führt laut den beschriebenen Problemen schnell zu einem „Bandage-Fix“ nach dem eigentlichen Entwurf: Man reagiert auf erkannte Risiken, statt sie im Architekturdesign zu vermeiden. Zudem werden SHM und FM in der Praxis oft von getrennten Fachteams bearbeitet, die in voneinander abgeschotteten Wissensspeichern arbeiten. Das kann Inkonsistenzen zwischen Modellierungslogiken und Analysen erzeugen und am Ende ineffiziente Schleifen über den gesamten Lebenszyklus nach sich ziehen. Der Kern der NASA-Argumentation ist daher nicht nur „mehr Analysen“, sondern eine engere Kopplung: Systemdiagnose und Systemmodellierung sollen dieselbe Entwurfslogik verwenden.
Für die Umsetzung erhielt Qualtech Systems Inc. (QSI) im Rahmen eines Phase-II-SBIR-Programms einen Auftrag, FM-Fähigkeiten sowie Erweiterungen für das kommerzielle Toolset TEAMS® zu entwickeln. Entscheidend ist, dass das Vorhaben SHM/Fault-Management direkt innerhalb von MBSE abbildet und bereits im frühen Projektstadium evaluiert, wie FM-Schemata die Effekte simulierte Komponentenfehler dämpfen. Dabei nutzt die NASA in ihrem modellbasierten Systems-Engineering typischerweise SysML als Rahmenwerk; im Projekt geht es um SysML v2 als neueste Iteration. QSI arbeitet dafür mit dem SysML v2 Submission Team (SST) zusammen, um FM-Konzepte und Modellierungsstandards in SysML v2 zu verankern und gleichzeitig eine Übersetzung in die „Failure Space“-Modelle des QSI-Toolsets zu ermöglichen.
Praktisch wird das so beschrieben: Systems-Engineering-Teams können QSI’s kommerzielles Toolset einsetzen, um FM-Aspekte aus SysML v2-Modellen zu analysieren. Indem Ursachen und Auswirkungen von Fehlern erfasst werden, lassen sich Fault Modes, Effects, and Criticality Analyses (FMECAs) sowie Fault Tree Analyses (FTAs) durchführen. Die Ergebnisse werden nicht nur „als Auswertung“ geliefert, sondern in standardisierten Formaten als SysML-Report zurückgeführt, sodass sie im Entwurfsfluss von Spezifikation und Verifikation & Validierung (V&V) verwertbar bleiben. Besonders relevant ist zudem, dass das Toolset aus den Analysen Designverbesserungen ableiten kann – beispielsweise die optimale Platzierung von Sensoren an Bord – und diese Vorschläge als konkrete Updates ins Systemdesign zurückspielt. Das adressiert genau die häufige Reibung zwischen abstrakter Systemarchitektur und konkreter Diagnostik, weil die Ableitung von Sensor- und Diagnoselogik nicht in einem separaten Tool-Land endet.
Im SBIR-Demonstrator HelioSwarm zeigt sich, wie diese Kopplung im Mission-Design aussehen soll. HelioSwarm nutzt eine Konstellation aus einem Hub und acht ko-orbitierenden Kleinsatelliten, um simultane Messungen von magnetfeldbezogenen Fluktuationen und Protonflüssen im cislunaren Raum zu ermöglichen. Die wissenschaftliche Motivation ist physikalisch anspruchsvoll: Plasma-Turbulenz verteilt Energie über viele Skalen – von fluidartigen Bewegungen bis hin zu kinetischen Effekten bei Teilchen, die sich durch einzelne Messpunkte nur unzureichend rekonstruieren lassen. Entsprechend fliegen die Raumfahrzeuge mit Abständen von „tens to thousands of kilometers“, um die dreidimensionale Struktur und Dynamik der Turbulenz sichtbar zu machen. Für das Technikdesign folgt daraus: Es geht nicht nur um Messgenauigkeit, sondern auch um die Zuverlässigkeit mehrerer voneinander abhängiger Subsysteme, die gleichzeitig funktionieren müssen.
Das QSI-Team erstellt dafür ein SysML-v2-Designmodell der HelioSwarm-Subsysteme und der Top-Level-Anforderungen, inklusive Flowdown von Mission-Zielen in technische Spezifikationen. Anschließend übersetzt das erweiterte Toolset dieses SysML-v2-Modell in ein FM-Modell. Die FM-Modelle umfassen zentrale Subsysteme des Hubs und der acht Knoten-Satelliten, unter anderem Command- und Data-Handling, elektrische Energieversorgung, Attitude Control, Antrieb, thermische Komponenten sowie Separation-Hardware und Sensorsysteme, ergänzt durch Boden- und Raum-Kommunikation. Auf Basis dieser Modelle generieren die Mission Designer FMECAs und FTAs, die als standardisierte SysML-Reports zurückgeführt werden; aus den Analysen entstehen außerdem Empfehlungen, etwa für Sensorplatzierung, die als vorgeschlagene Design-Updates in die Systemarchitektur eingehen sollen. Damit entsteht ein überprüfbarer Pfad von der Anforderungslogik bis zur Diagnostik- und Erkennungsfähigkeit – nicht als nachträgliche Dokumentation, sondern als entwurfsbegleitende Entscheidungsgrundlage.
Über HelioSwarm hinaus beschreibt die NASA den Nutzen für zukünftige Missionen mit stärkerer Autonomie und Resilienz. Zudem wird TEAMS® im Kontext „Vehicle Systems Management“-Funktionen auf dem NASA Gateway Projekt als Baseline genannt und bleibt dadurch grundsätzlich anschlussfähig für zukünftige human-rated Raumfahrzeuge. Interessant ist dabei die industrielle Anschlussfähigkeit: Wenn FM-Analysen und Architektur-Trade-Studies früh im Design verfügbar sind und in ein MBSE-Artefakt zurückspielen, profitieren auch andere Hochwertsysteme, bei denen Ausfallfolgen teuer sind – von militärischen Plattformen wie Flugzeugen, Oberflächen- und Unterseeschiffen über moderne Landfahrzeuge bis hin zu kompexen Infrastruktur- und Energiesystemen. Der entscheidende Trend ist damit weniger „ein neues Analyseverfahren“, sondern ein Prozess-Engineering-Schritt: FM wird als modellbasierte Planungs- und Verifikationsfähigkeit in den Design-Takt integriert, was Kosten- und Terminrisiken sowie Entwicklungsaufwände potenziell reduziert.
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