دور المجلس الدولي المعني بهندسة النظم في تصميم نظم المركبات الفضائية

فهم المجلس الدولي لهندسة النظم

إن المجلس الدولي لهندسة النظم هو مجتمع مهني لا يستهدف الربح، وقد عمل، منذ أكثر من ثلاثة عقود، بمثابة المركز العالمي للنهوض بتخصص هندسة النظم، الذي أنشئ في عام ١٩٩٠، أصبح المعهد الوطني لعلوم المحيطات والغلاف الجوي يضم الآن عشرات الآلاف من الأعضاء والفصول وأعضاء المجالس الاستشارية للشركات الذين يمتدون إلى الفضاء الجوي، والدفاع، والنقل، والرعاية الصحية، والطاقة، والأكثر، وتتمثل مهمته في تشكيل نهج الهندسة المعمارية في المستقبل عن النظم.

ولا تعمل المنظمة بمعزل عن بعضها البعض؛ فهي تتعاون بنشاط مع هيئات أخرى معنية بالمعايير مثل المنظمة الدولية للتوحيد القياسي، ومعهد المهندسين الكهربائية والإلكترونية، وفريق إدارة الأجسام، وهذه الشبكة التعاونية تكفل مواءمة الممارسات الهندسية للنظم التي دعا إليها المعهد على الصعيد العالمي، وقابلية التشغيل المتبادل بين الصناعات، ومواصلة صقلها لتلبية الطلبات التكنولوجية الناشئة.

الدور الحاسم لهندسة النظم في تصميم المركبات الفضائية

فالمركبات الفضائية من بين أكثر النظم تعقيدا التي بنيت على الإطلاق، وقد يتألف مسبار ساتلي واحد أو بين الكواكب من ملايين المكونات، وخطوط لا حصر لها من رموز البرامجيات، وعشرات النظم الفرعية - الدافع، والسيطرة الحرارية، والطاقة، والاتصالات، والتوجيه والملاحة، والفيون، والهيكل، والحمولات - وكلها يجب أن تعمل دون عيب في أشد بيئة معروفة: يصبح الفراغ في الفضاء، مع درجات الحرارة القصوى، والإشعاع.

وتوفر هندسة النظم إطارا لإدارة هذا التعقيد، وهي تكفل تحديد الاحتياجات بوضوح وتبصيرها والتحقق منها؛ وإدماج النظم الفرعية واختبارها بصورة متسقة؛ وتحديد المخاطر والتخفيف منها في وقت مبكر؛ وتحقيق المنتج النهائي لأهداف مهمته في حدود التكاليف والقيود الزمنية؛ وفي تطوير المركبات الفضائية، حيث يمكن أن يؤدي وجود عيب وحيد غير مكتشف إلى حدوث خطأ في البعثات، مثل نظم مراسم تحويلات المناخ إلى نظم مفيدة.

مساهمات المعهد في الهندسة في مجال النظم الفضائية

ويؤثر المعهد على تصميم نظم المركبات الفضائية على مستويات متعددة: من خلال المعايير، ومن خلال المجتمع والتعاون، ومن خلال التطوير المهني، ومن خلال الدعم البحثي المباشر، ويعزز كل من هذه المساهمات الأخرى، ويخلق دورة مضنية تزيد باستمرار من ممارسة هندسة النظم في صناعة الفضاء.

وضع معايير هندسة النظم والترويج لها

وفي صميم عمل المعهد الوطني للبحث العلمي والتكنولوجي، يُعد " الدليل الهندسي للنظم " (FLT:0) الذي يُعد الآن في طبعته الخامسة، ويُعتبر هذا الدليل المرجعي النهائي للتخصص، ويُضفي على عقود من الخبرة العملية، والبحوث الأكاديمية، وأفضل الممارسات في مجال الصناعة، ويُعدّ دليلاً مهيكلاً وميسراً، ويُتسق مع المعيار الدولي

ويسهم المعهد أيضا في توسيع نطاقات محددة، فعلى سبيل المثال، وضع الفريق العامل المعني بالنظم الفضائية [(FLT:0)] التابع للشبكة الفضائية ] توجيهات مصممة خصيصا للتطبيقات الفضائية، تتناول اعتبارات فريدة من قبيل الظروف البيئية القصوى، ودورات التنمية الطويلة، والحاجة إلى درجة عالية من الموثوقية، وتساعد هذه الموارد أفرقة المركبات الفضائية على تجنب المجازفات المشتركة واعتماد استراتيجيات مثبتة من النجاحات والإخفاقات السابقة.

تيسير التعاون العالمي وتبادل المعارف

إن تطوير المركبات الفضائية يتزايد دوليا، وقد يكون من الممكن تصميم ساتل لرصد الأرض في بلد واحد، يبنى من مكونات مستمدة من ثلاث قارات، ويدمجها فريق متعدد الجنسيات، ويطلق من دولة رابعة، وتوفر الشبكة العالمية للمنظمة الدولية للسواتل - التي تضم فصولا في أكثر من ٥٠ بلدا وعددا من الأفرقة العاملة التي تركز على الفضاء - الأنسجة الموصلة لهذه التعاونات.

كما أن حلقة العمل السنوية INCOSE الدولية و بشأن أفضل أنواع الاستثمار الأجنبي المباشر التي تُعنى بخلق أفضل أنواع من المشاكل التي يواجهها مهندسو النظم من قطاع الفضاء، وهي تتضمن مسارات مكرسة لنظم الفضاء، حيث قام مهندسو وكالة الفضاء الوطنية، ووكالة الفضاء اليابانية، وشركات تجارية بتقديم دراسات حالاتية، وتبادل الدروس المستفادة، ونهج الاختراق.

وهذه الثقافة التي تسود تقاسم المعارف بسرعة وتخفف من المخاطر في جميع أنحاء الصناعة، فبدء تشغيل ساتل صغير، مثلا، يمكن أن يتاح له نفس الحكمة الجماعية التي استُخدمت في تطوير تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي يتكيف مع صغر حجمه وميزانيته.

برامج التدريب والتصديق

ولا يمكن تطبيق المعارف إلا عند تطبيقها، كما أن برامج التصديق التي ينفذها المعهد الوطني للإحصاء تكفل أن يكون الأفراد على مستوى ثابت من الكفاءة، وأن يكون الهيكل الثلاثي المستويات - - نظم الهندسة المرتبطة بالنظم المهنية ، - نظم التصميم الثابتة للنظم المهنية

كما يقدم المعهد الوطني للإحصاء شهادة مهنية هندسية من نوع " FLT:0 " (Systems Engineering Professional) تتوافق مع المعيار ISO/IEC 15288) وهي وثيقة ذات صلة خاصة بالمشاريع الفضائية التي تتطلب التصديق على العمليات، ويقوم العديد من الوكالات الفضائية والمتعاقدين الرئيسيين حاليا بتشجيع أو تكليف موظفي الهندسة النظميين، كما أن الدورات التدريبية التي تعد المرشحين لإصدار الشهادات - تقدم من خلال استعراضات لنظم التخطيط المؤسسية، ومن الشركاء الأكاديميين، ومن الشركاء، ومن الشركاء، ومن الشركاء، ومن أجل إعداد برامج التدريب

دعم البحوث والابتكارات في النظم الفضائية

(أ) يشمل المجلس الاستشاري Corporate Advisory Board] شركات كبيرة في الفضاء الجوي مثل بوينغ، ولوكهايد مارتن، وشمالروب غرومان، وشركة Airbus، فضلا عن شركات مبتكرة أصغر، ومن خلال هذا المجلس، يتم تحديد أولويات البحوث وتمويل المشاريع التعاونية.() وفي السنوات الأخيرة، ركزت هذه الجهود على النهوض [بوضع نظم ذات جودة رقمية]

وبالإضافة إلى ذلك، يربط المنتدى الأكاديمي ] الجامعات التي تدرس هندسة النظم مع العاملين في الصناعة، وتكفل هذه الشراكة أن يعكس وضع المناهج الدراسية التحديات التي تواجه النظم الفضائية في العالم الحقيقي، وتقدم الآن عدة جامعات برامج متخصصة للتخرج في هندسة النظم الفضائية تتضمن معايير وسيرات دراسية، وتنتج خطا للمهندسين مستعدين للإسهام من اليوم الأول.

How INCOSE Standards Improve Spacecraft Design and Mission Success

ويمكن ملاحظة الأثر العملي لعمل المعهد على امتداد دورة الحياة الكاملة لتطوير المركبات الفضائية، وفيما يلي مجالات رئيسية تعزز فيها معاييره ومبادئه التوجيهية بشكل مباشر جودة التصميم ونتائج البعثات.

الاحتياجات الإدارية

وتُعدّ إساءة إدارة الاحتياجات أحد الأسباب الرئيسية لتجاوزات المشاريع الفضائية وإخفاقاتها، إذ إن توجيه المعهد الوطني لعلوم المحيطات بشأن الاحتياجات والاحتياجات ومتطلبات أصحاب المصلحة (المؤسسة الوطنية للإحصاء) يساعد الأفرقة على كشف وتحليل وتوثيق ما تتطلبه البعثة حقاً - التمييز بين " ما " و " كيف " المتطلبات الهندسية الواضحة والمصدقة في كثير من الحالات.

التحقق والتقييم

فالتحقق (بناء حق النظام) والتحقق (بناء النظام الصحيح) هما حجر الزاوية في هندسة المركبات الفضائية، إذ أن عمليات التحقق والتثبت من صحة البيانات والتحقق منها (النظام VLT:1) تحدد إطارا شاملا يشمل عمليات التفتيش والتحليل والعرض والاختبار، ويترجم ذلك بالنسبة لإحدى المركبات الفضائية إلى اختبارات دقيقة على جميع المستويات - العنصر، والنموذج الفرعي، والآلية المتكاملة لعام 2020 - مدعومة بنموذج " Voverling " .

إدارة المخاطر

فالحيز غير مسامح، وإدارة المخاطر أمر أساسي في فلسفة المعهد الوطني للإحصاء، إذ أن عملية إدارة المخاطر التقنية [TRM] توفر نهجا منظما لتحديد المخاطر التي تنجم عن تصميم المواد الرخيصة، وتحليلها، وتحديد أولوياتها، والتخفيف من حدة المخاطر طوال دورة حياة المشروع، وبالنسبة للمركبات الفضائية، فإن ذلك يشمل كل شيء من التدهور المادي من الأكسجين الذري إلى الاضطرابات الرخيصة التي تحدث.

التكامل والاختبار

إن دمج مركبة فضائية تضم مئات الآلاف من الأجزاء وآلاف البيئات هو أحجية معقدة، فالإدارة الداخلية فيما بين المناطق تساعد الأفرقة على تحديد ومراقبة وصلات بين النظم الفرعية: الكهرباء، والميكانيكية، والثغرات، والبيانات، والتشغيل، وتقترن باستراتيجيات التكامل التدريجي التي تُحد من المخاطر الناشئة عن البيئة الأصغر حجما.

دراسات الحالة: معايير العمل

وقد اتبعت عدة بعثات فضائية عالية الجودة بشكل صريح عمليات هندسة النظم التي يقوم بها المعهد، مما يدل على قيمة الممارسات الموحدة.

مركب استكشاف المريخ التابع للرابطة (روحية وخيارية)

وقد صممت قاعدة استكشاف المريخ التوأم التي أطلقت في عام 2003 للعمل لمدة 90 يوما من أيام المريخ؛ وقد استمرت سنوات - الفرص على مدى 14 عاما، ونجاحها مدين بالكثير لهندسة النظم الصارمة، وقد تم التخلي عن احتياجات البعثة بعناية من الأهداف العلمية الرفيعة المستوى إلى المواصفات على مستوى المكوِّنات، وقد تم التحقق والتثبت من ذلك باستخدام الأساليب المحددة في دليل المعهد الوطني للبحث العلمي والتحصين، بما في ذلك الاستخدام الواسع النطاق لمسائل البرمجية المستندة لتحديد المحاكاة.

بعثة غايا التابعة للوكالة الفضائية الأوروبية

إن غايا، التي أطلقت في عام 2013، ترسم خرائط لبليون نجمة ذات دقة غير مسبوقة، وقد تطلب تعقيدها - مع حمولة تتطلب دقة دقيقة في الدقيقة الثانية - اتباع نهج صارم للغاية في هيكل النظام ومعايرته، وقد استخدم فريق الإيسا عمليات متوائمة مع المعهد الدولي للبحث العلمي والتدريب من أجل التنمية ومنظمة التعاون الدولي واللجنة الاقتصادية الدولية 15288، بما في ذلك إدارة التشكيلات الدقيقة والاختبار القائم على المخاطر، ونتيجة لذلك، بعثة تواصل تقديم بيانات عن اختراق الأرض، مع تسجيلها في العقد.

الوصلات التجارية: الفضاء النجمي والشبكة العالمية

وتطرح مجموعات كبيرة من المدارات المنخفضة الأرض تحديات هندسية نظمية جديدة بسبب الحجم الهائل والحاجة إلى التصنيع السريع والفعال من حيث التكلفة، وقد اعتمدت الشركات التي تبني هذه الوحدات ممارسات مستمدة من نظام إنكوس لإدارة الاحتياجات عبر مئات السواتل المتطابقة مع إدخال تحسينات على التصميم التدريجي، وكانت هندسة النظم القائمة على النموذج، التي روج لها المعهد الوطني للكيمياء والسواتل، أداة تمكينية رئيسية.

مستقبل تصميم نظم المركبات الفضائية ودور المعهد

ومع تسارع الأنشطة الفضائية - مع قواعد القمر، وتعدين الكويكبات، واستكشاف الفضاء العميق في الأفق - يجب أن تتطور هندسة النظم، حيث أن المعهد الوطني للكيمياء في كوسوفو في مقدمة عدة اتجاهات تحولية.

Model-Based Systems Engineering (MBSE)

وتفسح هندسة النظم التقليدية القائمة على الوثائق المجال لنهج قائمة على النماذج حيث يتم استخلاص معلومات عن مواصفات النظم وتصميمها وتحليلها والتحقق منها في نموذج رقمي متماسك، وقد قام المعهد الوطني لعلوم الفضاء بحمل نظام MBSE من خلال مبادرة MBSE ((MBS) التي تُنشئ نظماً متجانسة متطورة من حيث البنية التحتية المستمدة من نظام " SBUMS " (SL).

الهندسة الرقمية والتوائم الرقمية

ويعمل المعهد مع وزارة الدفاع الأمريكية وغيرها من الشركاء على النهوض بالهندسة الرقمية، حيث تكون النماذج ذات حجية وربطها ببيانات التشغيل في الوقت الحقيقي، أما بالنسبة للمركبات الفضائية، فإن التوائم الرقمي - وهو نموذج افتراضي يعكس الأصول المادية طوال دورة حياتها - يتيح الصيانة التنبؤية، والكشف عن الشذوذ، واستكشاف الأماكن التجارية.

مهندس نظم أغيل للفضاء

تاريخياً، استخدمت تنمية المركبات الفضائية نماذج شلالات صلبة أو في شكل حرائق، ولكن ارتفاع القدرة التنافسية التجارية في نيوسبايس قد حفز الاهتمام بإدراج أساليب فضائية محددة، لا سيما بالنسبة للمركبات الفضائية التي تستخدم أجهزة لاسلكية قابلة لإعادة تشكيل قائمة على البرمجيات FGA.

خاتمة

إن المجلس الدولي لهندسة النظم هو أكثر بكثير من منظمة عضوية؛ فهو يُعدّل هيكلاً يُبنى عليه بنجاح نظم المركبات الفضائية، ومن خلال معاييره وكتيبه الشاملة، فإن مجتمعه العالمي الذي يعزز تبادل المعارف، وبرامجه لإصدار الشهادات الصارمة، ومبادراته البحثية المستقبلية، يوفر البنية الأساسية اللازمة لإدارة تعقيد المشاريع الفضائية الحديثة، وكل تداخل ناجح بين المريخ وكل فهرسة من بلايين النجوم من غايا، وكل مجموعة ساتلية