Documentación EPLAN para un "observatorio aéreo" único

De las estanterías de archivos a los datos estandarizados

El avión de investigación SOFIA funciona desde hace 8 años y permite observar de cerca el espacio registrando la radiación infrarroja. Hasta ahora, la compleja ingeniería eléctrica de este telescopio único sólo estaba disponible en papel y en forma de documentos PDF. El equipo de ingenieros y técnicos del Instituto Alemán SOFIA (DSI) de la Universidad de Stuttgart utiliza ahora una solución EPLAN, adaptada con precisión a los requisitos especiales de la investigación astronómica fundamental. La vista siempre es mejor desde arriba. Este principio también se aplica a la astronomía. Si la gente quiere explorar el universo utilizando el espectro infrarrojo, poco ganará haciéndolo desde la Tierra, porque los rayos infrarrojos no pueden penetrar el vapor de agua de la atmósfera terrestre. Por eso, la NASA y el DLR (Centro Aeroespacial Alemán) pusieron en marcha en 2010 el único "observatorio volante" del mundo. Un Boeing 747 SP fue equipado con un telescopio de 17 toneladas y un espejo de 2,70 metros de diámetro. A altitudes de 13 a 14 kilómetros, el telescopio permite profundizar, por ejemplo, en la formación de estrellas y sistemas planetarios. La aeronave se conoce como SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) y despega varias veces por semana de Palmdale (California) para realizar vuelos de investigación. Los científicos que viajan a bordo ya han detectado varias moléculas desconocidas hasta ahora. También pueden estudiar en detalle la formación de las estrellas. Esto es importante para la investigación fundamental, ya que en las reacciones de altísima energía del "nacimiento estelar" se produce la fusión de núcleos atómicos, lo que da lugar a nuevos elementos de mayor valor. La fusión nuclear transforma el hidrógeno y el helio en átomos nuevos o diferentes, como carbono, oxígeno y metales.

Reparto del trabajo de precisión

En la explotación de SOFIA, la responsabilidad de las tareas está estrictamente repartida. NASA/USRA son responsables de los vuelos y de la aeronave. Las operaciones científicas corren a cargo del SOFIA Science Mission Operation Center (SMO) en el NASA Ames Research Center (Mountainview, California). DSI desarrolló el telescopio y es responsable de su mantenimiento. Este reparto de tareas tiene sentido: el telescopio se fabricó en Alemania y su cojinete hidrostático y su espejo, de Zerodur, lo convierten en una obra maestra de la ingeniería en tecnología mecánica y de instrumentos. Se puede alinear con una precisión de 0,2 segundos de arco y está montado con tal precisión que, cuando se sueltan los frenos, las pesas de aproximadamente 8 toneladas se pueden mover en tres dimensiones con sólo un dedo. Para hacerse una idea de la precisión de 0,2 segundos de arco, considere que el telescopio puede apuntar a una moneda de 1 céntimo a 16 kilómetros de distancia utilizando un láser desde un avión en vuelo que se desplaza a una velocidad de 800 km/h, análoga a la de estar en un huracán. La mayoría de los aproximadamente 50 empleados de DSI trabajan en el Centro de Investigación de Vuelos Armstrong de la NASA en Palmdale, donde no sólo realizan tareas de desarrollo y mantenimiento, sino que también apoyan las actividades a bordo y preparan nuevos vuelos de investigación. Esto incluye la adaptación de la configuración del telescopio a uno de un total de seis instrumentos científicos con diferentes detectores para distintos rangos de onda, cada uno de los cuales capta las señales recibidas por el telescopio. Si se produce un defecto o simplemente una irregularidad en el telescopio, el equipo de Palmdale entra inmediatamente en acción. Antes, si el defecto afectaba a la electrónica del telescopio, había que acceder a esquemas impresos que se almacenaban en estanterías de archivos. Simon Beckmann, corresponsable de la electrónica del telescopio, afirma: "En el desarrollo de cada uno de los sistemas del telescopio hace unos veinte años participaron muchas empresas especializadas que utilizaban diferentes sistemas ECAD. Por eso, toda la documentación eléctrica se entregaba en PDF de distintas formas. No perder de vista la localización de averías siempre fue un reto".

Exigencia de documentación estandarizada y asistida por CAD

Puede que entonces lo anterior fuera una solución pragmática, pero desde una perspectiva actual no era en absoluto una solución de futuro: se requería un enorme esfuerzo para la gestión de cambios y revisiones. Como SOFIA va a continuar sus vuelos de investigación hasta 2034, la dirección de DSI decidió convertir toda la documentación eléctrica a un sistema estándar de datos. De este proyecto se encargó Simon Beckmann, que ya había trabajado varios años en Palmdale como ingeniero de aviónica y, por tanto, estaba muy familiarizado con la configuración única del telescopio. Un estudio de mercado realizado al principio del proyecto arrojó un resultado claro: EPLAN era la empresa que mejor cumplía los requisitos especiales, aunque no estaba muy representada en la industria aeroespacial. Según Simon Beckmann, el concepto básico deseado era construir un sistema ECAD específico para DSI sobre la base de tres pilares igualmente importantes. Por tanto, la solución no era estándar y debía basarse en EPLAN Electric P8. El software se adaptó por completo a la aplicación específica. La empresa TPO Engineering Services GmbH de Crailsheim (Alemania) recibió el encargo de realizar el proyecto. Ello implicó no sólo la conversión de datos de diseño heterogéneos en documentación EPLAN estándar, sino también la incorporación de requisitos generales y especiales. "Los empleados de TPO han hecho realmente un trabajo extraordinario", afirma Simon Beckmann.

Un sistema a medida apoyado en tres pilares

El primero de los tres pilares basados en EPLAN es una herramienta, denominada DSI Engineering, que se utiliza para modificar y rediseñar los componentes eléctricos y electrónicos del sistema del telescopio y los equipos de prueba. Para ello se parte de una estructura estandarizada, la implementación de macrofunciones y el desarrollo de plantillas individuales. DSI Engineering también dispone de su propia biblioteca de símbolos específica para SOFIA. Las empresas encargadas por DSI Engineering, o los estudiantes que trabajan en sus tesis de licenciatura o máster, pueden entonces crear listas de cables, enchufes y conexiones a partir de una única fuente.

Mantenimiento y reparación basados en ECAD

El segundo pilar es la herramienta "Mantenimiento y reparación DSI". Su núcleo es el "Harness Master Diagram" (HMD), que ofrece una visión general de todo el telescopio. Simon Beckmann afirma: "Los documentos esquemáticos de EPLAN se basan en el HMD y ofrecen una función de salto eficaz. A pesar de la gran complejidad de la ingeniería eléctrica y de las más de 2000 páginas de diagramas de circuitos, no se pierde la visión de conjunto a la hora de solucionar problemas. Todos los ingenieros y técnicos de DSI pueden utilizar EPLAN Viewer para obtener, con un clic del ratón, acceso directo a los planos detallados, planos de cables, designaciones de pines y hojas de datos de los distintos componentes". A pesar de la inmensa riqueza de detalles, también se ha evitado intencionadamente la complejidad. La mayoría de los usuarios de EPLAN en DSI no utilizan el programa a diario, por lo que su manejo debe ser intuitivo. Se han incluido muchas funciones útiles. Si, por ejemplo, se sustituye una unidad de cálculo defectuosa por otra nueva, el módulo opcional de EPLAN se encarga de que los esquemas y la documentación asociada se actualicen en segundo plano.

Prueba obligatoria de documentación en la industria aeroespacial

El tercer pilar de EPLAN, denominado "Garantía de calidad", es la prueba de documentación de todo el cableado telescópico. Simon Beckmann explica por qué es tan importante este módulo opcional de EPLAN: "Cuando se suministró el telescopio, no existían unidades de recambio. Actualmente las desarrollamos y fabricamos internamente en DSI o las hacemos reconstruir por los fabricantes. Como la tecnología cambia mucho, las mejoras se incorporan, por supuesto, a cualquier componente reproducido. Por lo tanto, las unidades de repuesto pueden tener la misma interfaz con el telescopio, pero una estructura interna completamente diferente. El módulo opcional garantiza que el equipo de DSI pueda actuar con rapidez en caso de error y que SOFIA despegue siempre para la siguiente misión con el estado de documentación más reciente". Este enfoque también sirve para las aprobaciones de aeronavegabilidad y el seguimiento de la gestión de revisiones".

Los pequeños detalles: Estandarización de una documentación diferente

Durante la instalación del software, el equipo de SOFIA se enfrentó al reto que suponía la diversidad de documentos y esquemas proporcionados por los proveedores de componentes de telescopios de la época. Simon Beckmann explica: "No podíamos transferir los documentos uno a uno. Había que adaptar cada documento y reasignarlo dentro de la estructura. En algunos casos, faltaban documentos o no se podían representar con claridad, por lo que tuvimos que comprobar las funciones del sistema y, si no estaban claras, nuestros colegas de California las revisaron durante los trabajos de mantenimiento".

Uso intensivo de las funciones de EPLAN

Para Simon Beckmann, el proyecto de trasladar a EPLAN una documentación muy compleja, que duró dieciocho meses, supuso un gran esfuerzo de equipo en el que todos los implicados pusieron mucha pasión y perseverancia: "Nuestros requisitos altamente especializados significan que probablemente utilizamos el 90% de todas las funciones de EPLAN. A menudo tuvimos que consultar al proveedor y recibimos un apoyo excelente. Algunas cosas pudimos resolverlas con propiedades de bloque, otras veces tuvimos suerte y se publicó una nueva versión con la función deseada". En total, se han programado más de 50 propiedades de bloque de EPLAN para el proyecto e incluso los propios empleados de EPLAN han mostrado un gran respeto por la aplicación. Eso nos enorgullece".

Preparados para los próximos 15 años

Con la nueva documentación ECAD estandarizada basada en EPLAN, los responsables de la DSI se sienten bien preparados para futuros trabajos en el telescopio de SOFIA y aún más para solucionar rápidamente las irregularidades. Una vez completada la transferencia de datos EPLAN, sólo existe un estado de datos común y siempre actualizado, y el personal de la DSI puede "acercarse" muy rápidamente a cada detalle electrotécnico del telescopio. La replicación de unidades individuales utilizando datos EPLAN (y, por tanto, también la modificación de la documentación debido a nuevos componentes) aún no se ha probado, sencillamente porque no hay ningún componente defectuoso. No obstante, esta prueba práctica final se producirá sin duda tarde o temprano: SOFIA llevará a cabo vuelos de investigación durante otros quince años para, por ejemplo, comprender mejor el nacimiento de nuevas estrellas.

SOFIA: Proyecto conjunto internacional de investigación fundamental

La investigación fundamental suele realizarse como proyecto conjunto, por un lado, debido a los elevados costes que conlleva. Esto también se aplica a SOFIA. Los operadores del "Observatorio Estratosférico para la Astronomía Infrarroja" son el Centro Aeroespacial Alemán e.V. (DLR) y la NASA. En Alemania, el Gobierno Federal, el Estado de Baden-Württemberg y la Universidad de Stuttgart financian SOFIA. Por parte alemana, las operaciones científicas están coordinadas por el Instituto Alemán SOFIA (DSI) de la Universidad de Stuttgart, y por parte estadounidense por la Asociación de Universidades de Investigación Espacial (USRA). El avión, un Boeing 747 SP reconvertido en "Jumbo-Jet" (una versión acortada con mayor autonomía), despegó por primera vez en 2010. En cada vuelo se lleva a cabo una serie de proyectos de investigación que, hasta la fecha, han dado lugar a descubrimientos vitales en áreas muy diferentes de la astronomía.

¿Observatorio, avión o satélite?

Los grandes observatorios fijos del desierto de Atacama, por ejemplo, también utilizan telescopios infrarrojos. Sin embargo, los telescopios terrestres sólo pueden ver de forma muy limitada en el infrarrojo cercano y medio debido al vapor de agua de la atmósfera terrestre, y no pueden ver nada en la distancia porque la luz infrarroja no puede atravesar el vapor de agua. Por ello, SOFIA lo sobrevuela a una altitud de 12-14 km. Un satélite puede "mirar" tan lejos en el espacio como SOFIA, pero tiene la desventaja de que su vida útil es limitada debido, por ejemplo, a que se agotan las reservas de helio para refrigerar las cámaras. Los socios del proyecto SOFIA también pueden reequipar repetidamente el "observatorio volante" con nuevos detectores, cámaras, etc. y fijarse así nuevos objetivos de investigación. Esto explica la vida útil considerablemente más larga de SOFIA en comparación con un satélite y representa un ejemplo de investigación fundamental sostenible.

SOFIA

SOFIA, el Observatorio Estratosférico para Astronomía Infrarroja, es un proyecto de colaboración del Centro Aeroespacial Alemán e.V. (DLR; número de subvención 50OK0901, 50OK1301 y 50OK1701) y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). A instancias del DLR, se está llevando a cabo con financiación del Ministerio Federal de Economía y Energía alemán en virtud de una decisión del Bundestag alemán, y con fondos del Estado de Baden-Württemberg y de la Universidad de Stuttgart. Por parte alemana, las operaciones científicas están coordinadas por el Instituto Alemán SOFIA (DSI) de la Universidad de Stuttgart, y por parte estadounidense por la Asociación de Universidades de Investigación Espacial (USRA). El desarrollo de los instrumentos alemanes está financiado por la Sociedad Max Planck (MPG), la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y el DLR.