El diseño del submarino SSN(X) requerirá un modelado digital moderno

El diseño asistido por ordenador es bueno, pero un verdadero modelo digital es mejor.

Mientras la Armada ha luchado por entregar los principales programas de buques a tiempo y dentro de los presupuestos, el programa de submarinos de clase Virginia destaca por su éxito en esas cosas. Desde sus innovadores métodos de fabricación, su relativa asequibilidad y las mejoras iterativas a través de las construcciones en bloque consecutivas, el éxito sostenido de la forma del casco 774 es impresionante.

Sin embargo, un repaso a la historia del programa revela que el éxito de su diseño no era una conclusión previsible, sino más bien un compromiso empinado del programa de submarinos de la clase Seawolf que finalmente se canceló después de sólo tres cascos debido a los excesos de costes y la reducción de los presupuestos de defensa. Ahora que la Armada se embarca en el diseño del submarino de ataque rápido de nueva generación (SSN[X]), las numerosas lecciones que se desprenden no sólo de varios fracasos del programa, sino también del éxito de los Virginias, deberían infundir un sentido de urgencia y centrarse en las razones por las que las cosas pueden salir mal, en lugar de la autocomplacencia que puede derivarse de haber ganado la última batalla.1 Las herramientas digitales de diseño y modelado nuevas -o nuevas para la Armada- pueden ayudar al servicio a aplicar esas lecciones.

Diseño centrado en la misión

El Pentágono desafía a las fuerzas armadas a que se esfuercen por lograr diseños centrados en la misión, en los que "la sincronización, gestión y coordinación de conceptos, actividades, tecnologías, requisitos, programas y planes presupuestarios guíen las decisiones clave centradas en la misión de principio a fin".2 Este ideal contrasta con los recientes diseños centrados en las plataformas en todo el Departamento de Defensa (DoD), que han proporcionado sistemas que no se han integrado en los conceptos bélicos más amplios del departamento.

Las capacidades de los futuros sistemas de la Armada no se medirán por los atributos individuales de un solo tipo de casco, sino por la combinación de las capacidades de combate del casco, la capacidad y la habilidad para interactuar con los sistemas fuera del casco. La Armada cuenta con las herramientas y la mano de obra para adoptar este cambio de paradigma, pero los responsables de las adquisiciones de la Armada deben tomar medidas positivas para lograr este estado final. Esto es especialmente importante para el SSN(X), ya que la Armada tendrá que luchar contra sus impulsos de centrarse en el interior del casco.

El programa SSN(X) debe prestar mucha atención a su red de combate más amplia, y su equipo tendrá que verificar regularmente que su diseño cumple los requisitos centrados en la misión. Para hacerlo de forma asequible, la Armada debe mejorar su desarrollo de modelos digitales y simulaciones de los sistemas planificados y validar los conceptos de empleo dentro de entornos de prueba vivos, virtuales y constructivos (LVC).3 El desarrollo de requisitos para el SSN(X) comenzó en 2021, ofreciendo una oportunidad perfecta para integrar los modelos digitales y las simulaciones para optimizar los conceptos de operación (ConOps) e integrar el diseño centrado en la misión.

Aprendiendo lecciones duras

A finales de la década de 1980, el submarino de clase Seawolf inició un cambio de paradigma en el diseño de los submarinos estadounidenses, similar al cambio que se está produciendo hoy en día con el SSN(X). Más grande, más rápido, con mayor profundidad de inmersión y con el doble de capacidad de torpedos que las clases de submarinos anteriores, el Seawolf (SSN-21) requirió una cantidad significativa de nuevo diseño y trabajo de ingeniería. Esta complejidad provocó los problemas que finalmente causaron su cancelación después de sólo tres submarinos. También se cancelaron varios programas de sistemas de armas de apoyo4.

A principios de la década de 2000, el buque de combate litoral (LCS) debía dar lugar a un cambio similar en el diseño y la construcción de buques de superficie. Su objetivo era construir un sistema de sistemas en torno a módulos de misión intercambiables. El LCS sería capaz de cambiar rápidamente de misión simplemente intercambiando los módulos de misión.5 Debido a los problemas financieros y técnicos, el desarrollo de la tecnología avanzada necesaria para hacer realidad varios módulos de misión se retrasó, y algunos fueron cancelados.6 Como resultado, el programa LCS entregó cascos que eran en gran medida incapaces de cumplir con los fines previstos. Tanto para el Seawolf como para el LCS, la Armada trató de adquirir no sólo nuevas plataformas, sino también nueva tecnología para operar en esas plataformas.

La Armada se encuentra hoy en una posición similar, con la intención de integrar sistemas no tripulados tecnológicamente avanzados en los SSN(X) y con la intención de realizar un nuevo ConOps para los submarinos. Debido a los costes comparativamente bajos, los retos de adquisición de sistemas no tripulados son menos famosos -pero más numerosos- que los bien documentados retos de los principales programas de adquisición de defensa, como el Seawolf y el LCS, entre otros.

La Armada ya se ha encontrado con problemas para integrar los sistemas submarinos tripulados y no tripulados. Tiene previsto cancelar el vehículo submarino no tripulado de gran desplazamiento Snakehead (LDUUV) en 2023 debido a la "desalineación de los esfuerzos de diseño y adquisición de Snakehead LDUUV con las interfaces de alojamiento de submarinos, lo que resulta en una disponibilidad limitada de plataformas de acogida para llevar a cabo las operaciones de Snakehead". Esta decisión se produjo después de que la Armada invirtiera 200 millones de dólares durante 14 años en el desarrollo de Snakehead.7 El diseño y la puesta en marcha de sistemas autónomos es un reto, pero el hecho de no integrar Snakehead con interfaces bien documentadas disponibles en la plataforma de acogida de la clase Virginia sugiere que no se examinaron suficientemente las ConOps durante las primeras fases de diseño.

La Armada optó por cancelar anticipadamente el Seawolf, el Snakehead y varios módulos de misión del LCS en lugar de luchar eternamente con diseños irrealizables. Aunque la cancelación fue posiblemente mejor que permitir que un programa en dificultades continuara, la Armada debería evitar estos errores con el SSN(X) en primer lugar aprovechando la ingeniería digital desde el desarrollo temprano del concepto a través de todo el ciclo de vida.

El Submarino

El submarino de clase Virginia USS Delaware (SSN-791) en la conmemoración de su puesta en servicio dos años después de COVID-19 impidió una ceremonia formal en el muelle. El diseño de la clase Virginia ofrece lecciones positivas y desafíos negativos para el SSN(X). Marina de los Estados Unidos

Ingeniería digital

Por razones programáticas, organizativas y técnicas, el enfoque heredado de la Armada para el diseño de plataformas se materializa en el uso de prototipos físicos. La Armada construye prototipos físicos para probar las operaciones operacionales centradas en la plataforma, y la integración con otros sistemas parece tener una importancia secundaria. La creación de prototipos físicos es ciertamente necesaria para un diseño eficaz del material, pero, de forma aislada, no proporciona información crítica, como la necesaria para cumplir el concepto de operaciones marítimas distribuidas, por ejemplo, que requiere la integración de sensores y tiradores en el tiempo y el espacio. La creación de prototipos físicos requiere mucho tiempo y es económicamente costosa, y generalmente identifica los problemas de integración demasiado tarde en el ciclo de desarrollo de un programa, si es que lo hace. Por otro lado, el creciente interés del Pentágono por los sensores distribuidos y las "redes asesinas" requiere la creación de prototipos sobre cómo se integrará una plataforma en una red de muchas plataformas en escenarios de combate realistas, lo cual es sustancialmente más complejo.

La ingeniería de sistemas heredada, basada en documentos, genera artefactos de diseño en gran medida estáticos, como dibujos, documentos de especificación y planes de prueba. Cualquier Sistema de Adquisición de Defensa puede requerir más de 70 documentos de diseño distintos para cumplir con los requisitos reglamentarios, estatutarios o de los componentes. Estas bibliotecas de documentos se convierten en hileras de estanterías que requieren tediosos cambios de página cada vez que se toma cualquier decisión de diseño, lo que crea serios desafíos para los equipos de productos integrados.

Modelos digitales

Por el contrario, la ingeniería digital utiliza modelos y datos fidedignos para coordinar e integrar todas las disciplinas y fases de trabajo para el ciclo de vida de una plataforma o sistema.8 Disponer de un modelo digital central garantiza que cualquier equipo de diseño que acceda al modelo acceda siempre a lo que los integradores denominan la "única fuente de verdad". Los modelos digitales pueden simular la física y las condiciones del mundo real o pueden ser modelos funcionales diseñados para explorar posibles configuraciones del sistema.

Este enfoque basado en modelos permite a los ingenieros y profesionales de la adquisición evaluar los diseños en el espacio digital con un alto grado de fidelidad antes de construir costosos prototipos físicos. El uso de estos modelos a lo largo de la vida de un programa crea lo que el ex subsecretario del Ejército del Aire, Will Roper, denominó un "hilo digital" de modelos y datos. A medida que aumenta la complejidad de los sistemas de defensa, las interacciones entre los subsistemas son más difíciles de entender sin modelos digitales detallados o costosos prototipos físicos.

Una contribución clave al éxito del programa de submarinos de la clase Virginia fue su completa representación en software de diseño digital asistido por ordenador (CAD). Los programas de CAD utilizados para diseñar el Virginia destacaron en la creación de modelos geométricos útiles para la disposición de las tuberías, el análisis de las tareas de mantenimiento y los aspectos de diseño relacionados con la disposición de los objetos físicos. Sin embargo, el CAD es sólo una de las herramientas de la transformación digital y, por lo general, sólo se utiliza cuando se han codificado los requisitos del sistema y se empieza a perfilar su forma aproximada. Los modelos digitales pueden utilizarse a cualquier nivel de abstracción, desde la fase de diseño conceptual hasta el estudio de las compensaciones entre las posibles configuraciones del sistema y el cálculo del peso máximo de despegue de un avión.9

Pero el hecho de que un constructor naval desarrolle un modelo CAD propio del casco de un submarino, tal y como se exige en el contrato de construcción naval, no genera automáticamente un "rendimiento digital de la inversión" para los programas de registro asociados. Hay que tener en cuenta que prácticamente todos los sensores, armas, dispositivos de comunicación y programas especiales tienen su propio proceso de adquisición, y su documentación se gestiona en niveles de clasificación independientes del diseño del casco del submarino. Y muchos de estos programas son construidos por proveedores que compiten entre sí y que toman medidas activas para limitar que sus modelos digitales patentados se pongan a disposición de los competidores. Por sí solo, el modelo CAD es muy útil, pero no es capaz de permitir a los diseñadores considerar las compensaciones de la misma manera que un modelo digital integrado.

El proceso de diseño de Virginia incluyó un número limitado de estudios comerciales. En cambio, el misil Sentinel del Ejército del Aire examinó 6.000 millones de configuraciones de diseño diferentes con un modelo digital.10 Estos modelos permitieron al Ejército del Aire pasar rápidamente el programa de la fase de diseño a la de construcción, sin dejar de centrarse en la asequibilidad. Una vez que un equipo construye un modelo digital detallado, pasar de varias configuraciones de prueba a miles de millones es simplemente una cuestión de recursos informáticos disponibles.

Una ventaja clave de examinar muchas configuraciones de recursos para un diseño digital integrado es la posibilidad de identificar capacidades de rendimiento realistas. El Servicio de Investigación del Congreso y la Oficina de Rendición de Cuentas del Gobierno evalúan con frecuencia si la Armada cumple con sus propias medidas de rendimiento establecidas internamente, como la fiabilidad, la disponibilidad y la capacidad de mantenimiento (RAM).

Sin embargo, el pensamiento sistémico no siempre se aplica a las estimaciones de las medidas de rendimiento de la Armada. En su lugar, los programas suelen aplicar técnicas de estimación paramétricas o analógicas basadas en programas anteriores similares. Estas técnicas a menudo se quedan cortas cuando se aplican a problemas nuevos, como el despliegue de un UUV desde un nuevo diseño de submarino. Por ejemplo, si la Armada utilizara las características de RAM de los sistemas aéreos no tripulados existentes como base para las medidas de RAM de los UUV, el dominio y las ConOps entre los sistemas aéreos y submarinos podrían invalidar el análisis. Un diseño digital competente puede evitar estos conflictos mediante un análisis riguroso de las capacidades de rendimiento realistas.

Otra ventaja clave de los modelos digitales es la capacidad de realizar cambios sin problemas en un sistema. Las prácticas tradicionales de gestión de programas exigen que el gobierno desarrolle requisitos técnicos detallados después de evaluar las posibles ConOps. Estos requisitos se transmiten a la industria, donde se realiza el trabajo de diseño detallado. Gran parte de este trabajo se realiza en CAD.11 Los retos tecnológicos significativos que se encuentran durante el proceso de diseño pueden conducir a sobrecostes y retrasos porque los diseñadores y el gobierno deben resolver el problema. Los modelos digitales permiten un trabajo de diseño más detallado en las primeras fases de desarrollo de los requisitos. También permiten volver a verificar los modelos de ConOps una vez que se han completado los modelos detallados.

Si se hacen bien, los modelos digitales duran toda la vida del sistema, no sólo una fase de adquisición. A medida que el sistema madura, los modelos mantienen el ritmo y permiten la verificación continua de los diseños y los requisitos, una característica fundamental. A medida que los casos de uso de la plataforma cambian o se recopilan datos del mundo real, esa información se retroalimenta en el modelo. Y cada modelo maduro contribuye al ecosistema digital en beneficio de futuros programas.

Integrar los juegos de guerra con el diseño técnico

Históricamente, la Armada ha confiado en los juegos de guerra para desarrollar futuras operaciones de combate y en el diseño de ingeniería para evaluar los requisitos de los sistemas futuros, pero estas actividades se realizan con demasiada frecuencia de forma aislada. Por ejemplo, el Destacamento de Investigación Acústica del Lago Pend Oreille, en Idaho, ofrece un entorno ideal para las pruebas acústicas de los prototipos físicos. Sin embargo, los costes asociados, los largos plazos de desarrollo y las limitaciones geográficas de la infraestructura de pruebas físicas hacen que sólo unos pocos prototipos sean asequibles. Además, la infraestructura de pruebas no está ubicada en centros de juegos de guerra como el Naval War College de Newport, Rhode Island, o el Undersea Warfare Development Center de New London, Connecticut, lo que limita la capacidad de los diseñadores de integrar rápidamente las lecciones de los juegos de guerra en el diseño del sistema.

La Armada lleva a cabo pruebas de integración de prototipos con unidades de la flota, como el grupo operativo no tripulado de la Quinta Flota (CTF-59), que está experimentando con una amplia gama de nuevos sistemas, y escuadrones de desarrollo de superficie y submarinos. Estos experimentos proporcionan información útil, pero se producen demasiado tarde en el ciclo de desarrollo para afectar sustancialmente a los requisitos del sistema. Cuando una unidad experimental de la flota adquiere un prototipo, la Armada ya está comprando varios ejemplares, y se están discutiendo contratos para más.

Almacenamiento

El actual proceso de diseño requiere una extensa colección de documentos en papel en carpetas que deben actualizarse manualmente cada vez que hay un cambio de diseño, aunque sea menor. Con el tiempo, el papeleo de una sola clase de barcos podría llenar un almacén. Un modelo digital podría existir en un solo disco. Alamy / Paramount

Los wargames proporcionan un proceso de menor coste y fácilmente repetible para probar las ConOps y las futuras necesidades del sistema. Aunque los wargames destacan en algunas partes, a menudo carecen de los modelos físicos detallados necesarios para desarrollar los documentos de requisitos del sistema. Por lo tanto, el valor del wargame queda encerrado en la entrega basada en documentos que el equipo produce.12

La ingeniería digital ofrece formas asequibles de acabar con este enfoque aislado. Los modelos digitales pueden fusionar los intensos esfuerzos asociados a la creación de prototipos y la flexibilidad de los wargames en entornos híbridos de LVC, que incluyen una mezcla del mundo natural (vivo), un entorno simulado (virtual) y una interfaz de operador a través de la cual los jugadores de rol pueden emplear una mezcla de jugadores reales y sintéticos (constructivos). La integración de los modelos digitales en los entornos de LVC permite tanto los modelos detallados del mundo físico como la evaluación repetida de estos sistemas por parte de los wargamers y los ingenieros, con un coste menor que el de los prototipos físicos. Probar en este entorno significa que los cambios en los requisitos técnicos pueden evaluarse con respecto a la capacidad de un sistema para cumplir los requisitos de la ConOp. Los requisitos creados a partir de sistemas digitales pueden entregarse a los contratistas para su construcción con una mayor confianza en que el sistema entregado satisfará las necesidades de la flota.

Corrección del timón

En el mar, es más fácil evitar una colisión haciendo pequeñas correcciones de rumbo con antelación que grandes correcciones in extremis. Del mismo modo, es más fácil y barato realizar ajustes en las operaciones de control de un sistema en una fase temprana del proceso de requisitos y diseño que en una fase posterior, una vez que el sistema o la plataforma están en producción. La Armada se encuentra en las primeras fases de diseño y adquisición de varios sistemas de armas que serán las piedras angulares de la futura Armada. Los programas del SSN(X), del Destructor de Nueva Generación (DDG[X]) y del avión de combate de Nueva Generación de Dominio Aéreo (NGAD) requerirán todos ellos unas ConOps bien definidas antes de que la Armada adquiera sistemas que espera que estén en servicio hasta finales de siglo.

La Armada aprendió duras lecciones sobre el diseño y la adquisición de submarinos con el programa Seawolf, que dieron sus frutos en el exitoso programa Virginia. En los años posteriores, la Armada ha seguido aprendiendo importantes lecciones sobre el desarrollo de ConOps para la adquisición de nuevas plataformas. Los errores recientes pueden evitarse mediante métodos de ingeniería digital para crear prototipos y examinar los diseños de las nuevas plataformas y su integración con los sistemas existentes y previstos. No acertar con los requisitos operativos y técnicos antes del diseño detallado podría dar lugar a otro programa de adquisición con dificultades que no pueda cumplir sus objetivos de capacidad, aptitud o interoperabilidad.

1. Congressional Research Service, Navy Virginia (SSN-774) Class Attack Submarine Procurement: Background and Issues for Congress, 28 April 2022.

2. Office of the Under Secretary of Defense for Research and Engineering, “Mission Engineering Guide,” November 2020.

3. Office of the Under Secretary of Defense for Research and Engineering, DoD Instruction 5000.88: Engineering of Defense Systems, 18 November 2020.

4. General Accounting Office, “Status of SSN-21 Design and Lead Ship Construction Program,” 17 November 1992.

5. Secretary of Defense, FY15 Navy Programs: Littoral Combat Ship and Associated Mission Modules.

6. Government Accountability Office, Littoral Combat Ship: Actions Needed to Address Significant Operational Challenges and Implement Planned Sustainment Approach, February 2022.

7. Justin Katz, “Navy Plans to Sink Large Undersea Drone Program,” Breaking Defense, 19 April 2022.

8. Department of the Navy, Navy and Marine Corps Digital Systems Engineering Transformation Strategy, June 2020.

9. International Council on Systems Engineering, Systems Engineering Vision 2035, 2021.

10. Shaun Waterman, “GBSD Using Digital Twinning at Every Stage of the Program Lifecycle,” Air Force Magazine, 8 April 2022.

11. Government Accountability Office, Columbia Class Submarine: Immature Technologies Present Risks to Achieving Cost, Schedule, and Performance Goals, December 2017, 16.

12. Department of Defense, Joint Publication 5-0: Joint Planning, A-1.

Traducción realizada con la versión gratuita del traductor www.DeepL.com/Translator

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• Fuente
• Lieutenant Commander James Landreth and Lieutenant Andrew Pfau, U.S. Navy October 2022 Proceedings Vol. 148/10/1,436  (2022, September 30). Designing ssn(x) will require modern digital modeling. U.S. Naval Institute. Retrieved October 4, 2022, from https://www.usni.org/magazines/proceedings/2022/october/designing-ssnx-will-require-modern-digital-modeling