System Engineering for Concurrent Design of in-orbit technological Demonstrators = Ingeniería de sistemas para el Diseño Concurrente de demostradores tecnológicos en órbita

The last two decades of space exploration have been characterized by the origin of a disruptive idea, the New Space concept. This change of paradigm is focused on reducing the development and launch costs of satellites and space vehicles to make it feasible to replace them in a short period of time by more modern models incorporating cutting-edge technologies. As a consequence, space projects have significantly evolved. There has been a shift from large satellites projects, with complex development efforts and times and long life-cycles (several years even decades), to a greater number of small satellites that allow for agile development, short life-cycles and that can incorporate innovative technologies. This change in the missions characteristic size has led to a context of democratization of space, in which small organizations, companies and even universities are able to send their own developments to outer space. This change also requires a modification in the processes and tools used for space missions design, in an attempt to follow other sectors trends such as logistics, software development and even textile. This thesis is framed on this growing need for new methodologies and tools that are capable of streamlining space mission design processes, without penalizing aspects such as design robustness, reliability or innovation. Within the design methodologies currently used in the space sector, attention has been focused on the concept of Concurrent Design or Concurrent Engineering (CE). This technique dates back to the 1940s, but it is still not widespread. It is based on the idea of tasks parallelization, replacing the traditional concept of sequential design. Other development techniques, such as Agile methodologies, have shown great potential in other sectors. These are based on adapting the working environment to the project conditions, promoting a collaborative environment and teamwork and performing development tasks in small increments with very specific objectives. The static nature of certain aspects of Concurrent Engineering, especially considering its potential, has led to the creation and implementation of a new methodology based on these two concepts: The Agile-based Concurrent Engineering methodology. This new methodology incorporates the main concepts of Concurrent Engineering, but adding those concepts of Agile methodologies that could be better adapted to the design of space missions. This allows to enhance those shortages that a traditional concurrent approach may present. These features include the re-allocation of resources or the prioritization of requirements, which allows to focus the development process in small increments. To promote the implementation of this methodology, a new infrastructure has also been created for the Concurrent Design Facility of the Instituto Universitario de Microgravedad, “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). This new infrastructure, called Concurrent Design Application (CDA), allows to enhance and implement the created methodology. Besides being web-based developed to allow remote access to the database, it allows to modify certain aspects: simplicity in the interface while maintaining the utilities, secure and efficient management of the design parameters and great versatility to adapt different design and numerical analysis software or self-developed design modules, among others. Both the new methodology and the developed Concurrent Design Application, CDA, have been tested and evaluated through the preliminary design of several space missions. These designs, which have been performed by aerospace engineers, have had a double objective: (i) testing the CDA software to validate functionality and remove failures, and (ii) comparing the Agile-based Concurrent Engineering methodology with the traditional Concurrent Design. The results obtained have been promising. First, the validation of the CDA beta version has been completed, which has included code debugging, failure fixing and the implementation of additional functionalities. This development, which is currently in the process of registration at the Madrid Intellectual Property Registry, has been well received by the users of the Concurrent Design Facility of the IDR/UPM Institute. On the other hand, the suitability of including Agile methodologies in the Concurrent Design process has been evaluated and demonstrated, especially due to the faster response to design changes. This dissertation opens a wide field of research through which further novel methodologies and tools can be developed to adapt space mission design processes to the new trends and needs of the sector. RESUMEN Las últimas dos décadas de la exploración espacial se han caracterizado por el nacimiento de una idea disruptiva en el sector, el concepto del New Space. Este nuevo paradigma se centra en reducir el coste de desarrollo y lanzamiento de satélites y vehículos espaciales, lo suficiente como para que sea factible reemplazarlos en un breve periodo de tiempo por modelos más modernos y que incorporen las tecnologías más punteras. Como consecuencia, los proyectos espaciales han evolucionado mucho. Se ha pasado de grandes proyectos de satélites, con esfuerzos y tiempos de desarrollo complejos y vida útil de varios años (incluso décadas), a un mayor número de proyectos de satélites de reducido tamaño que permitan un desarrollo ágil, vidas útiles reducidas, y que puedan incorporar las tecnologías más innovadoras. Esta modificación del tamaño característico de las misiones ha conducido a un contexto de democratización del espacio, en el que pequeñas organizaciones, empresas e incluso universidades empiezan a ser capaces de enviar al espacio sus propios desarrollos. Este cambio requiere una modificación en los procesos y herramientas empleados para el diseño de misiones espaciales, en un intento por seguir la estela de otros sectores como el logístico, el de desarrollo de software e, incluso, el textil. Esta tesis doctoral se enmarca en esta necesidad creciente de nuevas metodologías y herramientas que sean capaces de agilizar los procesos de diseño de misiones espaciales, sin penalizar por ello aspectos como la robustez de los diseños, la fiabilidad o la innovación. Dentro de las metodologías de diseño actualmente empleadas en el sector espacial, se ha centrado la atención en el concepto de Diseño o Ingeniería Concurrente (CE, Concurrent Engineering). Esta técnica, que aunque data de los años 40 está aún poco extendida, se basa en paralelizar las tareas de diseño, rompiendo con el concepto tradicional de diseño secuencial. Otras técnicas de desarrollo, como las metodologías Ágiles (Agile), han demostrado un gran potencial en otros sectores. Estas se basan en adaptar la forma de trabajo a las condiciones del proyecto, fomentando un ambiente colaborativo y realizando las tareas de desarrollo en pequeños incrementos con objetivos muy concretos. La estaticidad en ciertos aspectos de la Ingeniería Concurrente, en especial teniendo en cuenta su potencial, ha llevado a la creación e implementación de una nueva metodología basada en estos dos conceptos: Metodología de Ingeniería Concurrente basada en Agile. Esta nueva metodología incorpora los principales conceptos de la Ingeniería Concurrente, pero añadiendo aquellos conceptos de las metodologías Ágiles que mejor se adaptan al diseño de misiones espaciales. Esto permite potenciar todas aquellas carencias que puede presentar una aproximación concurrente tradicional. Entre dichas características se incluyen la recolocación de recursos o la priorización de requisitos, que permitan hacer desarrollos parciales en pequeños incrementos. Para potenciar la implementación de esta metodología, se ha creado además una infraestructura nueva para la Sala de Diseño Concurrente del Instituto Universitario de Microgravedad, “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). Esta nueva infraestructura, llamada Aplicación de Diseño Concurrente (CDA, Concurrent Design Application) permite potenciar e implementar la metodología creada. Además de ser desarrollada en base web para permitir acceso remoto a la base de datos, permite modificar ciertos aspectos propensos a ser mejorados: simplicidad en la interfaz pero manteniendo las utilidades, gestión de forma segura y eficaz de los parámetros de diseño y gran versatilidad para adaptar diferentes programas de diseño y análisis numérico o módulos de diseño de desarrollo propio, entre otros. Tanto la nueva metodología como la aplicación de diseño concurrente desarrollada, la CDA, se han evaluado a través de su aplicación al diseño preliminar de varias misiones espaciales. Estos diseños, que han sido realizados por ingenieros aeroespaciales, han tenido un doble objetivo: (i) testear la herramienta software para validar la funcionalidad y eliminar errores, y (ii) comparar la metodología de diseño concurrente basada en Agile con el diseño concurrente tradicional. Los resultados obtenidos han resultado prometedores. Por un lado, se ha finalizado la validación de la versión beta de la CDA, que ha incluido la depuración del código, la solución de errores y la implementación de funcionalidades adicionales. Este desarrollo, que se encuentra actualmente en proceso de registro en el Registro de la Propiedad Intelectual de Madrid, ha sido bien acogido por los usuarios de la sala de diseño concurrente del instituto IDR/UPM. Por otro lado, se ha evaluado y demostrado la idoneidad de incluir metodologías Agile en el proceso de diseño concurrente, sobre todo por la mayor rapidez de respuesta frente a cambios en el diseño. Este trabajo abre un amplio campo de investigación a partir del cuál es posible obtener metodologías y herramientas novedosas que permitan adaptar los procesos de diseño de misiones espaciales a las nuevas tendencias y necesidades del sector