El Reto de la Ingeniería en el Desarrollo de Sistemas Navales Presentes y Futuros

La obtención de sistemas de defensa en general y naval en particular está sometida a una casuística muy particular que probablemente no suceda en otros sectores de la industria de alto contenido tecnológico, a saber: desde la fase conceptual hay que tener en cuenta escenarios y amenazas que se van a producir en el largo plazo y así como la disponibilidad de tecnologías que todavía no se conocen.

La guerra de Ucrania está demostrando que una doctrina apropiada y las nuevas tecnologías son determinantes en la conducción de un conflicto entre contendientes asimétricos . Si nos atenemos a lo establecido por la Agencia Europea de Defensa (EDA): 

Planteamiento del problema.

Este reto afecta sobre todo a la ejecución de la denominada fase conceptual, con los Estados Mayores responsables de los requisitos y los órganos de Defensa encargados de la prospección tecnológica y la relación con la industria.  Los elementos fundamentales son:

• Nuevas amenazas basadas en tecnologías disruptivas y en general de bajo coste y que aparecen de forma súbita.
• Plazos de los gobiernos para el lanzamiento de nuevas capacidades y sistemas de armas, que podría ser de más de 10/15 años. Basado en procesos de obtención no adaptados para los escenarios actuales.
• Nuevas tecnologías que están disponibles tanto para los sistemas de armas como para las amenazas presentes y futuras.

Este desequilibrio debe suponer un acicate para el desarrollo de nuevos modelos de obtención que de alguna forma se adapten al ritmo de los nuevos conflictos y del uso de las nuevas tecnologías. En particular, estas son las consideraciones en relación a los sistemas de armas “navales” y en particular con el “buque combatiente de superficie”:

• Un buque de guerra es un conjunto de sistemas coordinado que en un futuro debe evolucionar al concepto sistema de sistemas (SoS)[1].
• Gran variedad de sensores que permiten operar en entornos complejos
• Enorme cantidad de datos que hay que evaluar en tiempo real, lo que implica disponer de capacidades de supercomputación a bordo y de sistemas de comunicaciones robustas, seguras y “extra wide-band”. El buque como “data center” y “comunication backbone”
• Armas altamente integradas en los sistemas de mando y control para hacer frente a amenazas en una diversidad de dominios simultáneos[2].
• Complejidad de la firma EM y caracterización del mástil integrado.

• Gestión eficiente de la energía ya que los nuevos sistemas y armas son ávidos de energía.
• Requisitos que aseguren el “safety”
• Nuevos materiales para la optimización de la plataforma
• Optimización y gestión dinámica de firmas
• Y en general una tecnología que apueste por la disponibilidad y basada en esquemas de mantenimiento predictivo y con impresoras 3D para la gestión de repuestos a bordo.

Es decir, la concepción de una “nueva plataforma naval” requiere disponer de un proceso de obtención que evite el clásico escenario de que cuando los buques se entregan a las marinas, parte de los sistemas ya están entrando en obsolescencia. De ahí el concepto de obtención acelerada, que en ciertos casos se no se concilia con el rigor exigido a un sistema de armas.  Por ello es necesario llegar a un equilibrio entre lo que significa un “proceso acelerado” y el necesario “rigor en la metodología”.

Para ello es necesario disponer de una disciplina que aúne el rigor en los requisitos con la flexibilidad en el desarrollo, producción y ciclo de vida de sistemas de armas. La ingeniería es la solución: ingeniería de requisitos para asegurar el Requisito de Estado Mayor (REM o NSR por sus siglas en inglés Naval Staff Requirements); ingeniería logística para asegurar la disponibilidad de los sistemas, ingeniería digital para asegurar el desarrollo y la producción.

Todo ello inmerso en la ingeniería de sistemas basada en modelos para el desarrollo y mantenimiento de lo que se ha venido en llamar el “digital thread” o “hilo de desarrollo digital”, que no es más que la representación virtual del sistema de armas y que se basa en una suite de herramientas que asegura la coherencia y trazabilidad del producto final de forma colaborativa entre los distintos agentes de ingeniería y durante todo el ciclo de vida.

Estas consideraciones creemos que ayudan a acelerar el proceso de obtención de sistemas de armas (buques de guerra) dándole a su vez el mayor rigor técnico y logístico.  A todo esto debe acompañar una organización adecuada en los organismos y agencias responsables de la obtención, así como una posible reordenación de la industria, pero esto no pretende ser objeto de este artículo.

El proceso de obtención

La siguiente figura muestra de forma esquemática lo antes mencionado.

Sostenimiento y digitalización.

• Utilización de las técnicas de ingeniería de requisitos para la elaboración de los REM, con uso intensivo de modelos que los validen previamente.
• Inclusión de la ingeniería logística y las técnicas de ALI (Apoyo Logístico Integrado) para asegurar los requisitos de disponibilidad (fiabilidad y mantenibilidad), que están totalmente relacionados, uno con el sistema a adquirir y el otro con los esquemas de sostenimiento orgánico.
• Evaluación de tecnologías críticas. Uno de los riesgos de los programas de obtención es infra evaluar el riesgo de las nuevas tecnologías o desarrollos disruptivos.  
• Inclusión de técnicas de ingeniería digital para asegurar los desarrollos durante las fases funcional y de diseño detallado.  La ingeniería digital es imprescindible para la elaboración de modelos fiables que permitan minimizar los errores de diseño y que aseguren la producción mediante herramientas interoperables.
• Todo lo anterior está relacionado con el concepto de astillero digital (factoría digital).  Por ello es necesario que haya una integración total de dominios digitales entre los órganos de obtención / Ingeniería de la Armada y la industria. La industria principal (“primes”) a su vez es responsable de la “ordenación digital” de la industria auxiliar para de esta forma contribuir al desarrollo del gemelo digital.
• En relación al desarrollo de componentes SW (software) del Sistema de Combate, la disponibilidad de “facilities” de desarrollo e integración es fundamental, no solo durante la fase de producción sino sobre todo para asegurar el ciclo de vida. En este sentido, la Armada dispone de una instalación de pruebas en Navantia Sistemas (Land Based Test Site o LBTS) para el desarrollo de los componentes SCOMBA del Sistema de Combate.  Esta instalación se complementará con otra similar (Centro de Integración de Sistemas o CIST) donde se prueben los sensores en ambientes reales y se asegure su correcta integración con el Sistema de Combate.
• Finalmente, la Armada está actualizando y unificando sus herramientas logísticas para adaptarse a los requisitos del gemelo digital y para optimizar el apoyo logístico integrado y mantenimiento predictivo.

Todo lo anterior se resume en la siguiente figura, donde se muestra el denominado “digital thread”. Navantia y la Armada están dando los pasos necesarios para asegurar la interoperabilidad digital que permita que el “digital thread” se mantenga durante todo el ciclo de vida. 

Sistemas físicos.

Como se puede ver en la figura, la tradicional V de ingeniería de sistemas se complementa con otra V con simetría especular,  donde la fase “top-down” de especificaciones  a producción en el entorno real está condicionada por la modelización “bottom-up” de los modelos con diferente nivel de resolución en el entorno virtual.

Por otra parte la secuencia de pruebas, validación y verificación “bottom-up” en el entorno real, alimenta de forma incremental los distintos entornos de simulación “top-down” del sistema bajo desarrollo en el entorno virtual  para de esta forma crear los conjuntos de datos que alimentarán al gemelo digital, algo fundamental para asegurar la viabilidad del ciclo de vida y para que la industria pueda mejorar sus productos.

Esto tiene implicaciones muy importantes en el actual sistema de obtención de defensa, en términos de organización, responsabilidades, procesos de trabajo colaborativos y relación con la industria. Se trata por ello de un nuevo enfoque que requiere una visión más integrada del proceso de obtención, tanto entre las distintas organizaciones como con la industria.

Ello no implica utilizar las mismas herramientas sino obligar a que estas sean interoperables, extendiendo su ámbito de aplicación a todos los elementos de un sistema de armas naval: sensores, con la modelización del comportamiento electromagnético (EM)  y simulación de “performance”; armas, con la modelización de escenarios y simulación de lanzamientos para asegurar la calificación operativa y desarrollar el documento de "capacidades y limitaciones del Sistema de Combate"; modelizacion del balance eléctrico del sistema en condiciones varias y especialmente en escenarios demandantes; modelización de elementos de safety; caracterización del entorno EM del buque, modelización de estructuras y elementos para cumplimiento requisitos ambientales; simulación de rutas se escape y optimización del tránsito, etc…

Conclusión

Sin hacer un exhaustivo balance de las tecnologías disruptivas y emergentes que necesariamente formaran parte de los futuros sistemas de armas navales, y algunas de las cuales ya están en los programas actuales, el reto de la “ingeniería de defensa” se podría resumir en los siguientes puntos:

• Ingeniería digital como una herramienta fundamental para acelerar el ciclo de vida, entendiéndolo desde la fase conceptual hasta la fase de sostenimiento.
• Uso intensivo de la Ingeniería de Sistemas basada en modelos
• Lograr la Interoperabilidad de herramientas y procesos en el desarrollo y explotación del “digital thread”
• Tener en cuenta que las tecnologías emergentes y disruptivas (EDTs en lenguaje OTAN) formaran parte de los futuros sistemas de armas y/o formarán parte de la amenaza a la que deban enfrentarse.
• Desarrollar procedimientos de trabajo colaborativos tanto en Defensa como en la industria, persiguiendo siempre la interoperabilidad de herramientas y el control del dato.

Y dos reflexiones adicionales:

• Es necesario que la industria se adapte de forma ordenada y colaborativa respetando los nichos tecnológicos y las fortalezas de cada uno.
• Es necesaria una reflexión sobre el actual modelo de obtención.

(Manuel Martínez Ruiz, Vicealmirante Cuerpo de Ingenieros de la Armada (R))

Este artículo un resumen de la conferencia “Current and Future Warships Engineering Challenge “impartida por el VA Manuel Martínez Ruiz, entonces Director de Ingeniería y Construcciones Navales de la Armada en el “Surface Warships Conference” de Londres en julio de 2023.