home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / space / 19738 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-24  |  6.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!caen!nigel.msen.com!hela.iti.org!cs.widener.edu!dsinc!pitt.edu!drycas.club.cc.cmu.edu!news.sei.cmu.edu!bb3.andrew.cmu.edu!crabapple.srv.cs.cmu.edu!MUNIZB%RWTMS2.decnet@beach.rockwell.com
  2. From: MUNIZB%RWTMS2.decnet@beach.rockwell.com ("RWTMS2::MUNIZB")
  3. Newsgroups: sci.space
  4. Subject: Shuttle safety margins
  5. Message-ID: <C1AA55.63o.1@cs.cmu.edu>
  6. Date: 23 Jan 93 01:40:05 GMT
  7. Sender: news+@cs.cmu.edu
  8. Distribution: sci
  9. Organization: [via International Space University]
  10. Lines: 107
  11. Approved: bboard-news_gateway
  12. X-Added: Forwarded by Space Digest
  13. Original-Sender: isu@VACATION.VENARI.CS.CMU.EDU
  14.  
  15. On Date: Thu, 14 Jan 93 00:57:14 EST, John Roberts <roberts@cmr.ncsl.nist.gov>
  16. writes:
  17.  
  18. >It turns out that with the measured wind patterns, if one of the SSMEs had
  19. >failed (it didn't) right when the Shuttle was passing Mach 1.55, three of
  20. >the struts in the structure would have had a safety factor of 1.36 (36%),
  21. >while the target safety factor under those conditions is a minimum of
  22. >1.4 (40%). Analysis of the situation and of the particular orbiter indicated
  23. >that this safety factor was acceptable, so permission was granted to proceed
  24. >with the launch.
  25.  
  26. Strictly speaking, the *safety factor* was not reduced.  The *margins of 
  27. safety* for the struts would have been reduced.  The following 
  28. definitions (not exact spec wording, but close to the point) may help:
  29.  
  30. Limit Load (or Stress): the maximum predicted structural load which may 
  31. be experienced by the vehicle while performing its mission.  This 
  32. typically defines either a "worst case" or statistically derived (e.g. 
  33. 3-sigma) magnitude.  The SSMEs use a 2-sigma operations criteria, and the
  34. rest of the structure may use the same.  Uncertainty factors may be included
  35. in the calculations (varies from program to program but typically 1.5 at PDR,
  36. 1.25 at CDR, and 1.0 at FRR).
  37.  
  38. Allowable Yield Load: the maximum load the structure can withstand 
  39. without unacceptable permanent deformation.
  40.  
  41. Allowable Ultimate Load: the maximum load the structure can withstand 
  42. without collapse.
  43.  
  44. Factors of Safety (FS): the values by which the limit load is multiplied 
  45. to obtain the yield and ultimate loads that the structure is designed to.
  46.  
  47. Margin of Safety (MS) = [Allowable Stress/(Limit Stress x FS)] - 1
  48.  
  49. The FS is a traditional "fudge factor" used to account for uncertainties 
  50. such as variations in material properties, dimensional tolerances, etc.  
  51. The Shuttle payloads (and I assume the Orbiter as well) use 1.4 for 
  52. ultimate load.  A factor of 1.1 is typically used for yield load, but I 
  53. don't know if the Orbiter structural design uses that.  Recent work has 
  54. been done on SSME and SSF components to replace this traditional method 
  55. with probabilistic structural analysis which uses a statistical treatment 
  56. for uncertainties in both the applied load and material strength.
  57.  
  58. If a structure designed by this criteria has an Ultimate MS = 0.0, it 
  59. will collapse if the actual imposed loads are 40% higher than the maximum 
  60. expected.
  61.  
  62. <Pat was concerned by mechanical safety margins, and felt that the 
  63. <Shuttle operates within 5% of destruction for its major mechanical and 
  64. <structural systems.
  65.  
  66. Based on the information presented, it's unclear but I *think* that in 
  67. the event of a single engine failure, the struts have an Ultimate MS = 
  68. 0.0.   It could thus be said that the Orbiter would then be flying within 
  69. 40% of destruction (and possibly 10% of being deformed such that it would 
  70. need repairs).  In the case of the flight in question, where predicted 
  71. winds aloft were higher than those which were used to design the Orbiter, 
  72. it appears that the Ultimate MS was = -0.04 and it was flying within 36% 
  73. of destruction (6% of yielding).
  74.  
  75. <The spokesman (Brewster Shaw, Deputy Director of the Space Shuttle 
  76. <Program) replied that the safety margin stated is not to the point of 
  77. <destruction . . .
  78.  
  79. Does anyone on the net know what the actual Yield and Ultimate MS were 
  80. for this flight?  Given the fact that payload launch load analyses 
  81. typically take one year to complete, was the analysis for this launch 
  82. done "real-time", or were the results already available from previous 
  83. studies of possible flight envelope expansion?
  84.  
  85. <One of the questions during the press conference was "what if something
  86. <additional had happened, and the stress was increased another 36%, so 
  87. <that zero safety margin was passed?"
  88.  
  89. The same thing that happens to bridges which are subjected to loads 
  90. beyond the maximums expected by the engineers, something breaks.  An 
  91. excellent book on the limits of engineering ability to predict the 
  92. behavior of structures and the public's expectations of these predictions 
  93. is "To Engineer is Human, The Role of Failure in Successful Design" by 
  94. Henry Petroski.  Has anyone else read this, and if so what did you think?
  95.  
  96. Speaking of bridges:
  97. On Date: 20 Jan 93 17:49:34 GMT, Pat <prb@access.digex.com> writes:
  98. > Certain things must expect certain conditions.  Now i dont expect a bridge 
  99. > to withstand the North AMerican Fat ladies precision Hop SCotch squad :-)
  100. > but i do expect it to withstand 3 cement trucks in close order.
  101.  
  102. Petroski's book describes the inadvertent proof test of the Golden Gate
  103. Bridge performed by 250,000 pedestrians who packed onto the bridge on its
  104. 50th anniversary.  The bridge swayed several feet and its arch flattened out
  105. as much as 10 feet.  If the bridge had collapsed under this unanticipated
  106. load, would the engineers have been to blame? 
  107.  
  108. Related to this subject, I am researching the use of traditional 
  109. uncertainty factors in defining limit loads in the fields of aerospace, 
  110. automotive, nuclear, etc.  It appears that very little has been formally 
  111. published in this area and the most of the information is in the brains 
  112. of the people who have done the work.  Any information in this area would 
  113. be greatly appreciated.
  114.  
  115. I apologize if this goes beyond the scope of sci.space.  Does anyone know
  116. of any engineering (especially aerospace and/or structural) news groups?
  117.  
  118. Disclaimer: Opinions stated are solely my own (unless I change my mind).
  119. Ben Muniz     MUNIZB%RWTMS2.decnet@consrt.rockwell.com    w(818)586-3578
  120. Rocketdyne/Rockwell:Space Station Freedom:Structural Loads and Dynamics
  121.    "Man will not fly for fifty years": Wilbur to Orville Wright, 1901
  122.