SpaceX CRS-7-Ausfall wegen einer schlechten Strebe – ist das ein Zeichen für schlechtes strukturelles Design?

Im Juni 2015 ging die Mission CRS-7 von SpaceX auf Falcon 9 verloren, als die Rakete beim Start explodierte. Die Untersuchung von SpaceX kam zu dem Schluss, dass das Problem ein Ausfall einer einzelnen defekten Strebe war . Die Auslegungslast der Strebe betrug 2.000 lb und sie wurde für 10.000 lb bewertet, 5 mal höher.

Es klingt wie eine gute Nachricht für SpaceX – verbessern Sie einfach die Qualitätskontrolle, um schlechte Teile zu erkennen, und Sie sind fertig. Aber ist es so einfach? Ich frage mich, ob da ein grundlegender Konstruktionsfehler vorliegt. Warum brachte der Ausfall einer einzelnen Strebe das gesamte System zum Erliegen? Ist jede Strebe in Falcon dann ein Single Point of Failure (SPOF)? Oder sogar nur einige von ihnen? Das wäre immer noch ein gefährliches Design.

Bei Weltraummissionen wird Redundanz erwartet und Ingenieure treffen Vorkehrungen gegen ausfallende Teile, Elemente und Subsysteme. Jeder SPOF ist eine Einladung für Ärger. Angenommen, das, was SpaceX sagt, ist wahr, ist es ein Zeichen für schlechtes strukturelles Design auf hoher Ebene, oder was?

Typische Konstruktionen von Raumfahrzeugen haben keine redundante Struktur; das ist gewichtsmäßig unerschwinglich. Stattdessen sind die Strukturen auf einen Sicherheitsfaktor > 1 ausgelegt, wie in der Antwort von @TidalWave erläutert. Stellen Sie sich vor, den STS-Orbiter mit einer zusätzlichen vertikalen Finne zu versehen oder den Außentank doppelwandig zu machen. Es würde niemals fliegen.
Ein Beispiel für eine redundante Struktur wäre die Verwendung von 2 Streben mit einer Auslegungslast von 5.000 lb anstelle von 1 Strebe mit 10.000 lb. Gitterwerk ist ein gemeinsames Merkmal des Brücken- und Hochbaus und genau das tut es. Mein Haus wird nicht einstürzen, wenn ein einziger Balken versagt. Ich würde denken, dass Raketen auf ähnliche Weise konstruiert werden könnten.
Ihr Haus hat nicht die gleichen Gewichtsbeschränkungen.

Antworten (2)

Nein, es ist ein Hinweis auf unzureichende Qualitätssicherung (QA), die Fehler verhindern soll, nicht auf schlechtes Design.

Ich bin mir nicht sicher, welcher Sicherheitsfaktor (FoS) für die fraglichen Falcon 9-Streben verwendet wird, aber nach den angegebenen Zahlen und dem Ausfall bei 1/5 der Konstruktionsgrenze zu urteilen, scheint er nahe bei 2,5 zu liegen, wenn man von einem maximalen Lastfaktor von 6 ausgeht g (Seite 33 des Falcon 9 Launch Vehicle Payload User's Guide (PDF), Kudos an Brian Lynch in den Kommentaren) und eine Last von 3,2 g am Punkt des Versagens.

Selbst bei einem FoS von 2,0 liegt das gut innerhalb der Industrienormen, die laut Wikipedia je nach Anwendung und Materialien bei 1,2 bis 3,0 für Luft- und Raumfahrt liegen. Und Elon Musk wurde bereits zitiert, dass SpaceX mit branchenführenden Sicherheitsmargen arbeitet, also kein schlechtes Design ist.

Das Falcon 9-Beschleunigungsbelastungsprofil hat ein Maximum von knapp über 6 g. Unter Berücksichtigung der 2000-Pfund-Last bei 3,2 g würde das den SF auf etwa 2,5 bringen. Dinge wie Drucktanks haben SFs mit viel höherem Design, da die Fehlermodi weniger robust sind - ein winziger Riss kann einen Tank zum Explodieren bringen, aber würde keinen Flügel zum Absturz bringen.
@BrianLynch Ich habe absichtlich kein Zitat für Druckbehälter abgegeben, das in dem Wikipedia-Artikel enthalten ist, auf den ich verlinke, um die Angelegenheit nicht zu verwirren. FoS von 3,5-4,0 würde beispielsweise für Composite Overwrap Pressure Vessels (COPV)-Heliumtanks innerhalb der Falcon 9 LOX-Tanks verwendet werden, nicht für die kryogenen Tanks der Bühne oder andere strukturelle Elemente der Bühne selbst. Deshalb gibt es für Luft- und Raumfahrzeuge ein separates Angebot . COPV wurden zuvor als mögliche Schuldige für diesen Ausfall des Falcon 9- Überdruckereignisses verdächtigt , aber es sieht so aus, als würden sie nun weitermachen, um mögliche andere Ursachen zu identifizieren.
@BrianLynch Dieser Punkt über SoF von ~ 2,5 ist gut. Haben Sie eine Quelle für die maximale Last von 6+ g und die Last von 3,2 g am Fehlerpunkt, die ich verwenden könnte?
Sicherlich habe ich nur den Bereich von 1,2 bis 3,0 angesprochen. Ich glaube, dass die meisten Komponenten von Trägerraketen im Vergleich zu den Nutzlasten von Raumfahrzeugen einen viel höheren SF haben werden, da die Startumgebung weitaus schlechter ist als der Weltraum.
Sie können sich wahrscheinlich keinen Falcon 9 leisten, aber Sie können das Benutzerhandbuch hier bekommen :) Sehen Sie sich Abbildung 5-2 auf Seite 33 an.

Zweieinhalb Jahre später kam die NASA-Untersuchung zu dem Schluss, dass ja, es gab einen Konstruktionsfehler, wenn auch von anderer Art als in der Frage vorgeschlagen:

Das unabhängige Prüfteam der NASA, das die Zerstörung einer SpaceX Falcon 9-Rakete und eines Dragon-Versorgungsschiffs kurz nach dem Start im Juni 2015 untersuchte, kam zu dem Schluss, dass ein Konstruktionsfehler zum Verlust von mehr als zwei Tonnen Proviant und Ausrüstung auf dem Weg zur Internationalen Raumstation führte.

Schließlich war die wichtigste technische Erkenntnis des IRT in Bezug auf diesen Fehler, dass er auf einen Konstruktionsfehler zurückzuführen war: SpaceX entschied sich für die Verwendung eines 17-4 PH SS (ausscheidungshärtender Edelstahl) in Industriequalität (im Gegensatz zu Luft- und Raumfahrtqualität ). Gussteil (das „Stangenende“) in einem kritischen Lastpfad unter kryogenen Bedingungen und anstrengenden Flugumgebungen

Link Wenn ich diese Worte richtig auspacke, hatte das Federbein möglicherweise nicht so viel Sicherheitsspielraum wie vorgesehen.

Offensichtlich hatte mindestens eine Strebe einen negativen Sicherheitsabstand! Die Überprüfung besagt, dass das Design schlecht war, weil es ein unzureichendes Material spezifizierte.
Die Lede ist in diesem Zitat begraben. 17-4 PH wird bei kryogenen Temperaturen martensitisch (sprich: spröde). Sie haben auch das Stangenende aus einem Guss hergestellt und nicht aus gewalztem, wärmebehandeltem, austenitischem Stangenmaterial (wie buchstäblich jedes Stangenende, das ich in Raumfahrzeugen gesehen habe). Diese Materialwahl bedeutet, dass das Teil Hohlräume und eine unregelmäßige innere Kornstruktur aufweisen würde, die reichlich Nukleationspunkte für die Bildung von Rissen unter der Flugumgebung mit hoher Vibration bietet. Fügen Sie das zu der Sprödigkeit hinzu, die dieses Material erfährt, und Sie betteln nur um Versagen.
SpaceX CRS-7-Ausfall wegen einer schlechten Strebe – ist das ein Zeichen für schlechtes strukturelles Design?
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