Nach dem Bruch des Automobilpedalhalters: Was sollte die kommerzielle Raketenbranche kritisch hinterfragen?

Welche Warnung sendet der Bruch eines Autopedals an kommerzielle Raketenunternehmen?

Kürzlich ist bei einem öffentlichen Bremsentest einer Automarke der Pedalhalter gebrochen, was breite Aufmerksamkeit erregt hat.

Das Unternehmen erklärte anschließend, dass das Bremssystem die entsprechende Entwicklung und Validierung abgeschlossen habe, dieser Fehler bei tatsächlichen Nutzern nicht aufgetreten sei, und kündigte an, das Design zu optimieren und bereits ausgelieferten Nutzern eine kostenlose Upgrade-Möglichkeit anzubieten.

Auf der Grundlage öffentlicher Informationen lässt sich derzeit die genaue Ursache des Bruchs noch nicht eindeutig bestimmen.

Wie die Kraft beim Test aufgebracht wurde, welches Material für den Halter verwendet wurde und wie er hergestellt wurde, erfordert alle Unterstützung durch Originaldaten.

Es steht fest, dass der Halter die Aufgabe hat, Lasten zu tragen und Kräfte zu übertragen. Sollte er brechen, kann der Fahrer auch dann nicht mehr normal über das Pedal bremsen, wenn andere Komponenten des Bremssystems intakt sind.

An Raketen werden ähnliche Bauteile ebenfalls leicht übersehen.

Neben Triebwerken und Tanks ist die gesamte Rakete auch auf Verbindungselemente, Stützelemente, Rohrleitungen und Wärmeschutzstrukturen angewiesen, um ihren Betrieb aufrechtzuerhalten. Da kommerzielle Raketen ständig Gewicht reduzieren und Kosten senken, fallen auch diese Bauteile in den Bereich der Anpassungen, und jede Änderung erfordert neue Validierungsarbeiten.

Die versteckten Kosten von Materialänderungen

In der Automobilindustrie gab es bereits ähnliche Lehren.

Im Jahr 2020 rief Ford in den Vereinigten Staaten 38005 Automatikgetriebe-Mustang zurück.

Aus den Rückrufunterlagen geht hervor, dass nach der Umstellung des Materials des Brems Pedalhalters von Nylon auf Polypropylen die Widerstandsfähigkeit des spezifischen Designs gegen die Belastung bei Notbremsungen abnahm, was zu Brüchen führen und den Verlust der Hauptbremsleistung verursachen konnte. Die Ingenieurnormen und Validierungsverfahren boten unzureichenden Spielraum für schwankende Faktoren.

Die Änderung eines Materials betrifft oft das gesamte Design. Dicke, Verstärkungsmethoden, Formverfahren und Krafteinleitungspositionen beeinflussen alle die Tragfähigkeit.

Bei Raketen müssen Bauteile zudem Bedingungen standhalten, die erst nach der Installation auftreten. Rohrleitungen funktionieren auf dem Prüfstand normal, können nach dem Einbau in die Rakete zusätzlichen Vibrationen ausgesetzt sein; Verbindungselemente bestehen die Prüfung bei Raumtemperatur, ihre Leistung muss jedoch noch bestätigt werden, wenn sie in Niedrig temperaturumgebungen gelangen. Selbst wenn neue Verfahren den Produktionszyklus verkürzen, muss überprüft werden, ob die Konsistenz der Produkte beeinträchtigt wird.

Das ist auch der Grund, warum Qualifizierungsprüfung und Abnahmeprüfung unterschiedliche Aufgaben haben.

Erstere überprüft, ob das Design die festgelegten Anforderungen an Umgebung und Belastung erfüllt, letztere prüft Qualität und Funktion des tatsächlichen Produkts.

Ein qualifiziertes Design kann immer noch Herstellungsfehler aufweisen; die Abnahme einzelner Teile reicht nicht aus, um zu belegen, dass die Designgrenzen vollständig geprüft wurden. Nach Änderungen von Material, Verfahren oder Lieferanten muss die Anwendbarkeit der ursprünglichen Versuchsergebnisse punktuell bewertet werden.

Automobilhersteller können Feedback von einer großen Anzahl im Einsatz befindlicher Fahrzeuge erhalten und Bestandsprobleme durch Rückrufe lösen. Raketen hingegen haben wenige Flugmuster, und nach dem Start ist eine Reparatur wichtiger Strukturen kaum möglich, sodass die Bodenvalidierung eine noch wichtigere Rolle spielt.

Das Gewicht der Redundanz

Im Jahr 2015 scheiterte der Start der Falcon 9, die die Frachtmission CRS-7 durchführte. Eine unabhängige Prüfung der NASA ergab, dass das Ende der Stützstange des sekundären Heliumtanks brach, der Tank sich aus der Befestigung löste und anschließend den Flüssigsauerstofftank zum Bersten brachte.

Als mögliche Ursachen für den Bruch der Stützstange wurden unter anderem Materialfehler, Herstellungsschäden und Installationsprobleme aufgeführt.

Die Prüfung ergab zudem, dass das industrielle Gussstück, das diese kritische Last trug, ohne ausreichende Auswahl und Prüfung in der strengen Niedrig temperaturflugumgebung eingesetzt wurde, und das Design die vom Hersteller empfohlenen Sicherheitsfaktoren nicht vollständig berücksichtigte.

Ein preiswertes Stützelement kann nach seinem Ausfall zu Geräteverschiebungen und Rohrleitungsbrüchen führen und letztendlich die gesamte Rakete gefährden. Der Wert des Bauteils selbst und der Schaden, den es verursachen kann, sind zwei völlig unterschiedliche Größen.

Die Verwendung ausgereifter Industrieprodukte kann die Beschaffungskosten senken und die Lieferzyklen verkürzen. Die vom Lieferanten angegebenen Leistungsmerkmale gelten jedoch nur unter bestimmten Bedingungen, und das Entwicklerteam muss bestätigen, ob diese Bedingungen auch an der Rakete erfüllt sind. Nach Einsparungen bei den Beschaffungskosten müssen möglicherweise noch Kosten für Auswahl, Prüfung und Integration aufgewendet werden.

Ob ein Bauteil für Raketen geeignet ist, lässt sich nicht nur anhand der Kennzeichnungen „Industriequalität, Automobilqualität, Raumfahrtqualität“ beurteilen.

Die Qualitäts- und Umweltprüfungen, die Produkte in Automobilqualität durchlaufen, umfassen nicht unbedingt die Beständigkeit gegen Weltraumstrahlung. Bei der Auswahl muss immer geprüft werden, in welcher Umgebung das Bauteil arbeitet, welche Funktion es erfüllt und welche Auswirkungen ein Ausfall hätte.

Ob eine Sicherung funktioniert, hängt ebenfalls vom jeweiligen Bauteil ab. Bei Computern kann ein Ersatzgerät konfiguriert werden, aber wenn die Haupttragstruktur bricht, kann kaum eine andere Struktur ihre Aufgabe übernehmen. Die Verstärkung des Halters reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der ursprünglichen Struktur; das Hinzufügen einer Sicherung behält die Betriebsfähigkeit nach einem Fehler bei.

Zwei Sätze von Geräten bieten jedoch nicht unbedingt doppelten Schutz. Wenn sie dieselbe Stromversorgung, dieselben Leitungen nutzen oder ihre Installationspositionen zu dicht beieinander liegen, kann ein Leck, hohe Temperatur oder Strukturschaden dazu führen, dass beide gleichzeitig ausfallen.

Raketen müssen zudem das Gewicht tragen, das durch die Redundanz entsteht. Neben den Geräten selbst können Befestigungsstrukturen, Kabel, Stromversorgung und Wärmesteuerung hinzukommen, was die Nutzlastkapazität beansprucht. Zusätzliches Gewicht in verschiedenen Stufen wirkt sich unterschiedlich auf die Nutzlast aus. Ob Redundanz eingesetzt wird, muss abgewogen werden zwischen den Risikominderungen und dem zusätzlichen Gewicht sowie den zusätzlichen Kosten.

Diese Rechnung darf sich nicht nur auf die Kosten einer einzelnen Rakete beschränken. Ein fehlgeschlagener Start kann zudem zu Nutzlastverlusten, technischen Nachbesserungen, Startverzögerungen und Auftragsverlusten führen. Der Beschaffungspreis des defekten Bauteils ist oft nur ein sehr kleiner Teil davon.

Die Gesamtsituation hinter einem einzelnen Fehler

Wenn ein Halter bricht, ist das Problem nach dem Austausch oder der Verstärkung bereits gelöst? Im Ingenieurwesen muss man auch die umliegenden Bereiche betrachten. Wenn die Steifigkeit des Halters erhöht wird, kann die Last auf benachbarte Verbindungspunkte übertragen werden; wenn die Rohrleitungen umpositioniert werden, können sich Vibrationen und Wärmeumgebung ebenfalls ändern. Der Geltungsbereich der Validierung bei der Nachbesserung muss sich an diesen Änderungen orientieren.

Die Prüfung nach dem Unfall der Falcon 9 CRS-7 beschränkte sich nicht auf das beschädigte Ende der Stützstange. Die NASA stellte zudem Probleme bei der Auswahl der Stahltrossen für die Förderleitungen des Flüssigsauerstoffs, dem Spülfluss und der Telemetriearchitektur fest. Einige davon waren keine direkten Unfallursachen, wurden aber trotzdem in die Nachbesserung aufgenommen.

Der Fall von Tianlong-3 zeigt die gegenseitigen Auswirkungen mehrerer Systeme während des Fluges.

Laut Angaben von Tianbing Technology wurde das ausgestoßene Flüssigsauerstoff zum Boden der Rakete angesaugt, was eine Nachverbrennung auslöste, die Wärmeschutzverbindungsstruktur durch lokale hohe Temperaturen beschädigte, und anschließend drangen heiße Gase in das Heckmodul ein, was zu Fluganomalien führte. Die Untersuchung muss sich daher an den Zusammenhängen zwischen Flüssigsauerstoffausstoß, Heckströmungsfeld und Wärmeschutzstruktur orientieren.

Anschließend passte Tianbing Technology die Ausstoßrichtung des Flüssigsauerstoffs, das Wärmeschutzkonzept und die Anordnung einiger Rohrleitungen an und veröffentlichte die Ergebnisse eines etwa 200 Sekunden langen Heißlauftests unter Bedingungen der Fehlerreproduktion und des verbesserten Zustands. Zhang Jianhong, stellvertretender Leiter der Raketenentwicklungsabteilung und stellvertretender Chefdesigner, erklärte, dass der zweite Testflug die Leistung der gesamten Rakete nicht senken werde, um den Erfolg zu garantieren.

Diese Entscheidung behält die ursprünglichen Leistungsziele bei und stellt gleichzeitig Anforderungen an die Validierung der Nachbesserung.

Der etwa 200 Sekunden lange Heißlauftest liefert Validierungsdaten, aber über die Dauer hinaus muss überprüft werden, ob Strömungsfeld, Druck, Temperatur und der Betriebszustand aller Systeme die zu prüfenden Flugbedingungen abdecken.

Nur wenn der ursprüngliche Fehler reproduziert und bestätigt werden kann, dass das verbesserte Konzept diesen Prozess blockiert, lässt sich beurteilen, ob die Anpassung wirksam ist.

Die Arbeiten für den Wiederholungsflug gehen über die Prüfung dieser einzelnen Nachbesserung hinaus. Die Daten des vorherigen Fluges können die Beurteilung der entsprechenden Phasen unterstützen; nach dem vorzeitigen Abbruch der Mission fehlt jedoch möglicherweise eine vollständige Prüfung des nachfolgenden Triebwerksbetriebs, der Nutzlasttrennung und des endgültigen Orbitaleintritts.

Alle diese Punkte müssen bei den nachfolgenden Flügen weiter validiert werden.

Nach dem erfolgreichen Eintritt in die Umlaufbahn können Flugdaten dem Team weiterhin helfen, das Design zu überprüfen. Die tatsächlichen Leistungen wie Temperatur, Ventilantwort und Vibrationen können punktuell mit den Vorhersagen verglichen werden, um eine Grundlage für nachfolgende Missionen zu schaffen. Insbesondere bei Änderungen von Nutzlast, Flugbahn oder Umgebung helfen diese Daten, den Geltungsbereich des ursprünglichen Designs zu beurteilen und die Vorbereitungen für den nächsten Flug zu optimieren.

Vom Pedalhalter bis zu den Stützelementen der Rakete hängt die Zuverlässigkeit eines einzelnen Bauteils mit dem gesamten Prozess von Design, Prüfung, Produktion und Nutzung zusammen. Verbesserungen nach Fehlern müssen nicht nur den Prüfungen standhalten, sondern auch auf nachfolgende Produkte angewendet werden; nach der Rückkehr der Rakete müssen durch Inspektionen und Lebensdauerbewertungen bestätigt werden, ob sie erneut für Missionen eingesetzt werden kann.

Kommerzielle Raketen, die ständig Gewicht und Kosten reduzieren, zielen letztendlich darauf ab, dass Kunden weniger zahlen und gleichzeitig weniger Kosten durch Verzögerungen und Ersatzlieferungen tragen. Die Kostenvorteile von Startdienstleistungen müssen in jeder pünktlich abgeschlossenen Mission unter Beweis gestellt werden.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „Xingdong Wuji“, Autor: Julian, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.