Отказ SpaceX CRS-7 из-за плохой стойки — признак плохой конструкции?

В июне 2015 года миссия SpaceX CRS-7 на Falcon 9 была потеряна, когда ракета взорвалась при взлете. Расследование SpaceX пришло к выводу, что проблема заключалась в выходе из строя одной неисправной стойки . Расчетная нагрузка на стойку составляла 2 000 фунтов, а рассчитанная на 10 000 фунтов, что в 5 раз выше.

Звучит как хорошая новость для SpaceX — просто улучшите контроль качества, чтобы выявлять бракованные детали, и все готово. Но так ли это легко? Интересно, есть ли здесь принципиальный недостаток конструкции. Почему выход из строя одной опоры разрушил всю систему? Тогда является ли каждая стойка в Falcon единой точкой отказа (SPOF)? Или хотя бы некоторые из них? Это все равно было бы опасной конструкцией.

Для космических миссий ожидается резервирование, и инженеры принимают меры предосторожности против выхода из строя деталей, элементов и подсистем. Каждый SPOF — это приглашение к неприятностям. Итак, если предположить, что SpaceX говорит правду, является ли это признаком плохого структурного проектирования высокого уровня или что?

Типичные конструкции космических аппаратов не имеют избыточной структуры; это запредельный вес. Вместо этого конструкции рассчитаны на коэффициент безопасности> 1, как объясняется в ответе @TidalWave. Представьте себе установку дополнительного вертикального оперения на орбитальный аппарат STS или двойную стенку внешнего бака. Это никогда не полетит.
Примером резервной конструкции может быть использование 2 стоек с расчетной нагрузкой 5 000 фунтов вместо 1 стойки на 10 000 фунтов. Решетчатая конструкция является общей чертой мостовой и строительной техники, и она делает именно это. Мой дом не рухнет, если выйдет из строя хотя бы одна балка. Я думаю, что ракеты могут быть спроектированы аналогичным образом.
Ваш дом не имеет таких ограничений по весу.

Ответы (2)

Нет, это свидетельствует о недостаточном обеспечении качества (QA), которое должно предотвращать дефекты, а не о плохом дизайне.

Я не уверен, какой коэффициент безопасности (FoS) используется для рассматриваемых стоек Falcon 9, но, судя по приведенным числам и отказу на 1/5 проектного предела, он кажется близким к 2,5 при максимальном коэффициенте нагрузки 6. g (стр. 33 Руководства пользователя по полезной нагрузке ракеты-носителя Falcon 9 (PDF), спасибо Брайану Линчу в комментариях) и нагрузке 3,2 г в момент отказа.

Даже при FoS 2,0 это вполне соответствует отраслевым нормам, которые, согласно Википедии , составляют от 1,2 до 3,0 для самолетов и космических кораблей, в зависимости от применения и материалов. Илон Маск уже цитировался ранее, что SpaceX работает с лучшими в отрасли запасами прочности, так что это неплохой дизайн.

Профиль нагрузки ускорения Falcon 9 имеет максимум чуть более 6 g. Таким образом, учитывая нагрузку в 2000 фунтов при 3,2 г, SF будет примерно около 2,5. Такие вещи, как баки под давлением, имеют гораздо более высокие проектные SF, поскольку режимы отказа менее устойчивы - крошечная трещина может привести к взрыву бака, но не приведет к падению крыла.
@BrianLynch Я намеренно не приводил цитату для сосудов под давлением, которая включена в статью Википедии, на которую я ссылаюсь, чтобы не запутать дело. FoS 3,5-4,0 будет использоваться, скажем, для гелиевых резервуаров с композитной оболочкой (COPV) в резервуарах Falcon 9 LOX, а не для криогенных резервуаров ступени или других элементов конструкции ступени. Вот почему есть отдельная цитата для самолетов и космических кораблей . Раньше COPV подозревали как возможных виновников этого сбоя избыточного давления Falcon 9 , но похоже, что теперь они переходят к выявлению возможных других причин.
@BrianLynch Этот пункт о SoF ~ 2,5 хорош, хотя. У вас есть источник для максимальной нагрузки 6+ г и нагрузки 3,2 г в точке отказа, который я мог бы использовать?
Конечно, я просто обращался к диапазону от 1,2 до 3,0. Я полагаю, что большинство компонентов ракеты-носителя будут иметь гораздо более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с полезными нагрузками космического корабля, поскольку условия запуска намного хуже, чем в космосе.
Вы, вероятно, не можете позволить себе Falcon 9, но вы можете получить руководство пользователя здесь :) Посмотрите на рисунок 5-2 на странице 33.

Два с половиной года спустя расследование НАСА пришло к выводу, что да, ошибка проектирования была, хотя и другого характера, чем то, что было предложено в вопросе:

Независимая экспертная группа НАСА, расследовавшая уничтожение ракеты SpaceX Falcon 9 и корабля снабжения Dragon вскоре после старта в июне 2015 года, пришла к выводу, что ошибка проектирования привела к потере более двух тонн провизии и оборудования, направлявшихся на Международную космическую станцию.

Наконец, ключевой технический вывод IRT в отношении этой неисправности заключался в том, что это произошло из-за ошибки проектирования: SpaceX решила использовать промышленную марку (в отличие от аэрокосмической) 17-4 PH SS (дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь) . литая деталь («конец штока») на пути критической нагрузки в криогенных условиях и в тяжелых условиях полета

Ссылка Если я правильно расшифрую эти слова, то у распорки может не быть такого запаса прочности, как было задумано.

Очевидно, по крайней мере, у одной стойки был отрицательный запас прочности! В обзоре говорится, что дизайн был плохим, потому что в нем был указан неподходящий материал.
Леде похоронен в этой цитате. 17-4 PH становится мартенситным (читай: хрупким) при криогенных температурах. Они также сделали наконечник штока из литья, а не из прокатанного, термообработанного аустенитного стержня (как буквально каждый конец штока, который я видел на космических кораблях). Этот выбор материала означает, что деталь будет иметь пустоты и неправильную внутреннюю зернистую структуру, что обеспечивает достаточное количество точек зарождения для образования трещин в условиях полета с высокой вибрацией. Добавьте к этому хрупкость материала, и вы просто молите об отказе.
Отказ SpaceX CRS-7 из-за плохой стойки — признак плохой конструкции?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v