Falla de SpaceX CRS-7 debido a un mal puntal: ¿es una señal de un mal diseño estructural?

En junio de 2015, la misión CRS-7 de SpaceX en Falcon 9 se perdió cuando el cohete explotó al despegar. La investigación de SpaceX concluyó que el problema fue una falla de un solo puntal defectuoso . La carga de diseño del puntal era de 2000 lb y estaba clasificado para 10 000 lb, 5 veces más.

Suena como una buena noticia para SpaceX: simplemente mejore el control de calidad para detectar partes defectuosas y listo. ¿Pero es tan fácil? Me pregunto si hay un defecto de diseño fundamental allí. ¿Por qué la falla de un solo puntal derribó todo el sistema? Entonces, ¿cada puntal en Falcon es un punto único de falla (SPOF)? ¿O incluso solo algunos de ellos? Eso seguiría siendo un diseño peligroso.

Para las misiones espaciales, se espera redundancia y los ingenieros toman precauciones contra piezas, elementos y subsistemas defectuosos. Cada SPOF es una invitación a los problemas. Entonces, suponiendo que lo que dice SpaceX sea cierto, ¿es una señal de un mal diseño estructural de alto nivel o qué?

Los diseños típicos de naves espaciales no tienen una estructura redundante; este es un peso prohibitivo. En cambio, las estructuras están diseñadas con un factor de seguridad> 1 como se explica en la respuesta de @TidalWave. Imagine colocar una aleta vertical adicional en el orbitador STS o colocar una pared doble en el tanque externo. Nunca volaría.
Un ejemplo de estructura redundante sería usar 2 puntales con una carga de diseño de 5000 lb en lugar de 1 puntal de 10 000 lb. La celosía es una característica común de la ingeniería de puentes y edificios y hace exactamente eso. Mi casa no se derrumbará si falla una sola viga. Creo que los cohetes podrían diseñarse de manera similar.
Su casa no tiene las mismas restricciones de peso.

Respuestas (2)

No, es indicativo de Garantía de calidad (QA) insuficiente, que se supone que previene defectos, no de mal diseño.

No estoy seguro de qué Factor de seguridad (FoS) se usa para los puntales Falcon 9 en cuestión, pero a juzgar por los números dados y la falla en 1/5 del límite de diseño, parece estar cerca de 2.5, asumiendo un factor de carga máximo de 6 g (página 33 de la Guía del usuario de carga útil del vehículo de lanzamiento Falcon 9 (PDF), felicitaciones a Brian Lynch en los comentarios) y una carga de 3,2 g en el punto de falla.

Incluso en FoS de 2.0, eso está bien dentro de las normas de la industria, que, según Wikipedia , son de 1.2 a 3.0 para aeronaves y naves espaciales, según la aplicación y los materiales. Y Elon Musk ha sido citado antes que SpaceX funciona con márgenes de seguridad líderes en la industria, por lo que no es un mal diseño.

El perfil de carga de aceleración del Falcon 9 tiene un máximo de poco más de 6 g. Entonces, considerando la carga de 2000 lb a 3,2 g, eso pondría el SF en aproximadamente 2,5. Cosas como los tanques de presión tienen SF de diseño mucho más altos ya que los modos de falla son menos robustos: una pequeña grieta puede hacer que un tanque explote pero no haría que se caiga un ala.
@BrianLynch Intencionalmente no di una cotización para recipientes a presión que se incluye en el artículo de Wikipedia al que me vinculo, para no confundir el asunto. FoS de 3.5-4.0 se usaría, por ejemplo, para tanques de helio de recipientes a presión de envoltura compuesta (COPV) dentro de los tanques Falcon 9 LOX, no para los tanques criogénicos del escenario u otros elementos estructurales del escenario. Es por eso que hay una cotización separada para aeronaves y naves espaciales . Antes se sospechaba que el COPV era el posible culpable de esta falla del evento de sobrepresión del Falcon 9 , pero parece que ahora están avanzando para identificar posibles otras causas.
@BrianLynch Ese punto sobre SoF de ~ 2.5 es bueno aunque. ¿Tiene una fuente para la carga máxima de 6+ g y la carga de 3,2 g en el punto de falla que podría usar?
Por supuesto, solo estaba abordando el rango de 1.2 a 3.0. Creo que la mayoría de los componentes del vehículo de lanzamiento tendrán un SF mucho más alto en comparación con las cargas útiles de las naves espaciales, ya que el entorno de lanzamiento es mucho peor que el espacio.
Probablemente no pueda pagar un Falcon 9, pero puede obtener el manual del usuario aquí :) Consulte la figura 5-2 en la página 33.

Dos años y medio después, la investigación de la NASA concluyó que sí, hubo un error de diseño, aunque de diferente naturaleza a lo planteado en la pregunta:

El equipo de revisión independiente de la NASA que investigó la destrucción de un cohete SpaceX Falcon 9 y la nave de suministro Dragon poco después del despegue en junio de 2015 concluyó que un error de diseño provocó la pérdida de más de dos toneladas de provisiones y equipos que se dirigían a la Estación Espacial Internacional.

Por último, el hallazgo técnico clave del IRT con respecto a esta falla fue que se debió a un error de diseño: SpaceX eligió usar un grado industrial (en lugar del grado aeroespacial) 17-4 PH SS (acero inoxidable endurecido por precipitación) parte fundida (el "extremo de la varilla") en una ruta de carga crítica en condiciones criogénicas y entornos de vuelo extenuantes

Enlace Si desglosé estas palabras correctamente, es posible que el puntal no haya tenido tanto margen de seguridad como el que se diseñó.

¡Claramente, al menos un puntal tenía un margen de seguridad negativo! La revisión dice que el diseño fue malo porque especificó un material inadecuado.
El lede está enterrado en esa cita. El 17-4 PH se vuelve martensítico (léase: quebradizo) a temperaturas criogénicas. También fabricaron el extremo de la varilla con una fundición en lugar de una barra austenítica laminada y tratada térmicamente (como, literalmente, cada extremo de la varilla que he visto usado en naves espaciales). Esta elección de material significa que la pieza tendría vacíos y una estructura de grano interno irregular, lo que proporciona amplios puntos de nucleación para que se formen grietas en el entorno de vuelo de alta vibración. Agregue eso a la fragilidad experimentada por ese material, y solo está rogando por el fracaso.
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