¿Qué causó el desastre del transbordador espacial Columbia?

El 1 de febrero de 2003, el transbordador Columbia regresaba a la Tierra después de un exitoso viaje de 16 días a la órbita, donde la tripulación realizó más de 80 experimentos científicos que van desde la biología hasta la física de fluidos. Sin embargo, el orbitador aparentemente sano había sufrido daños críticos durante su lanzamiento, cuando la espuma del aislamiento del tanque de combustible se cayó y golpeó el ala izquierda de Columbia, abriendo un agujero que el análisis posterior sugirió que podría haber sido tan grande como un plato.

El daño ocurrió justo después del despegue de Columbia el 16 de enero, pero no fue detectado. Durante la reentrada, el orificio en un panel de carbono-carbono reforzado resistente al calor en el borde delantero del ala izquierda de Columbia permitió la entrada de gases atmosféricos supercalientes en el ala del orbitador, lo que condujo a su destrucción.

El análisis fotográfico posterior al lanzamiento mostró que una pieza grande y al menos dos piezas más pequeñas de espuma aislante se separaron del área de la rampa del bípode izquierdo (–Y) del tanque externo a 81.7 segundos después del lanzamiento. El análisis posterior mostró que la pieza más grande golpeó a Columbia en la parte inferior del ala izquierda, alrededor de los paneles de carbono-carbono reforzado (RCC) 5 a 9, a 81,9 segundos después del lanzamiento (ver Figura). Un análisis fotográfico adicional realizado después del lanzamiento reveló que la pieza de espuma grande tenía aproximadamente 21 a 27 pulgadas de largo y 12 a 18 pulgadas de ancho, giraba a un mínimo de 18 veces por segundo y se movía a una velocidad relativa al Shuttle Stack de 625 a 840 pies por segundo (416 a 573 millas por hora) en el momento del impacto.

Si esta pregunta es exactamente cómo se destruyó el Columbia , intentaré responder de la manera más sucinta posible:

Durante el lanzamiento el 16 de enero de 2003, una pieza de espuma aislante, no más grande que un maletín, se desprendió del tanque de combustible externo y se estrelló contra el ala izquierda, perforando un agujero en las baldosas RCC (carbono-carbono reforzado) que protegían sección de la nave desde el calor de la reentrada. Nadie a bordo de Columbia era consciente del daño, ya que los golpes de espuma eran comunes, pero rara vez causaban daños graves, por lo que la NASA no informó a la tripulación.

El 1 de febrero de 2003, el Columbia intentó volver a entrar en la atmósfera de la Tierra, como lo había hecho varias veces antes, pero debido a la ruptura de su sistema de protección térmica, las temperaturas de fricción cercanas a los 3.000 grados Farenheit penetraron rápidamente en la piel del orbitador, causándolo para separarse, matando a los siete astronautas a bordo.

La principal causa física de la ruptura del transbordador fue un trozo de espuma de la rampa izquierda del bípode del tanque externo que se rompió 81 segundos en el lanzamiento y golpeó el panel 8 del RCC, dejando un agujero de 6-10 “en la mitad inferior del panel.

La principal causa no física del desastre fue una cultura en la NASA que, como lo expresó el informe de CAIB, ” permitió que el éxito pasado ocupara el lugar de la buena ingeniería “. Los golpes de espuma eran un problema conocido . Sus propias reglas decían que nada debía golpear al Orbiter durante el lanzamiento. (De hecho, la espuma se colocó en el ET para evitar que se forme hielo, ya que dicho hielo ciertamente se desprendería durante el lanzamiento y podría golpear y dañar el transbordador).

Tenían * no * datos sobre lo que un golpe de espuma podría hacer con un mosaico RCC. *Ninguna*. Tenían un programa de computadora que podía estimar los efectos de un golpe de hielo en las otras, más resistentes, baldosas en el vientre del orbitador y debajo de las alas. Eso fue todo. En cuanto a la comprensión de los golpes de espuma y el sistema de protección térmica (TPS), la ingeniería no estuvo involucrada.

Sin embargo, la espuma que salía del ET y golpeaba al orbitador había estado ocurriendo básicamente en cada lanzamiento. Algunas huelgas habían causado graves daños. Algunos ataques no habían hecho ningún daño notable. Al menos dos golpes de espuma habían causado daños potenciales por “pérdida de vehículo y tripulación” (LOVC) en 1988 y 2002.

1. Atlantis en 1988 – STS-27 – una misión clasificada del Departamento de Defensa.

1. La espuma del SRB correcto hizo lo que solo se puede llamar una cantidad ridícula de daño. Más de 700 fichas fueron dañadas y una ficha fue arrancada por completo. Pero debido a que era una misión clasificada del Departamento de Defensa, el video del daño tuvo que ser enviado por televisión encriptada. Así que Mission Control obtuvo un video realmente granulado, envió un cuadro a la vez cada tres segundos y, por lo tanto, no tenía idea de cuán grave era el daño hasta después de que aterrizó Atlantis .
2. Donde se había desprendido la única loseta, el metal resultó ser de doble espesor debido a la colocación de una antena. Si ese no hubiera sido el caso, habríamos perdido Atlantis exactamente como perdimos a Columbia casi quince años después.

1. Como dijo el comandante, “Sabía que lo que sucedería sería que, si comenzábamos a quemarnos, cambiaríamos la resistencia en ese ala”, dijo, “que es exactamente lo que le sucedió a Columbia … Comenzaríamos a desarrollar una división ( entre las posiciones de elevon del ala derecha e izquierda) si tuviéramos un arrastre excesivo en el lado derecho. Entonces sabía que eso era lo que iba a ver si comenzaba a funcionar “, dijo Gibson.” Y, por lo tanto, eso me dijo que tendría al menos 60 segundos para decirle al control de la misión lo que pensaba de su análisis “. Afortunadamente, no sucedió, ¡aunque imagino que todavía les dijo lo que pensaba de su análisis!

1. Parte de la misma rampa de bípode que dañó Columbia salió y golpeó el SRB.

1. “El precedente más cercano fue irónicamente solo cuatro meses antes, en el lanzamiento de STS-112 en octubre de 2002. Cuando los cohetes sólidos reutilizables fueron remolcados al puerto después de su recuperación del Atlántico, alguien notó una gran abolladura en el anillo de metal que se unía el elevador izquierdo al tanque externo. ¿Qué causó eso ? Los analistas examinaron las imágenes tomadas del ET cuando Atlantis arrojó el tanque. Una pieza de espuma aislante del tamaño de una caja de cartuchos de impresora láser se había desprendido del tanque externo en la rampa izquierda del bípode, la estructura que une la nariz del orbitador al tanque. La espuma impactó el anillo de fijación a una velocidad relativa de aproximadamente 500 mph y creó una abolladura profunda en el metal sólido. ”
2. El artículo vinculado no lo menciona, pero ese cuadro es el que manejó el comando para separar los SRB en el momento adecuado. Si la espuma hubiera golpeado la caja en lugar del anillo, Atlantis se habría convertido en otro Challenger.

1. A pesar del hecho de que los golpes de espuma habían arrancado partes del TPS y habían hecho mella profunda en el metal sólido en dos misiones separadas, nadie realizó pruebas en los mosaicos o los mosaicos RCC aún más delicados, como los que se ejecutaron después de la pérdida de Columbia .

En resumen, la pérdida de Columbia y su tripulación fue causada tan seguramente por la cultura de la NASA como por el golpe de espuma que hizo un agujero en la mitad inferior del panel RCC 8 81 segundos después del lanzamiento. Era exactamente la misma cultura de seguridad defectuosa que había resultado en la pérdida de Challenger y su tripulación. Desafortunadamente , cualquier lección que la NASA haya aprendido de la pérdida de Challenger fue olvidada hace mucho tiempo antes del 16 de enero de 2003.

También se puede cuestionar cuánto aprendió la NASA de la pérdida de Columbia , a juzgar por la decisión de volar Discovery . Se había decidido después de Columbia que la pérdida de espuma en el ET se debía a defectos en la espuma causados ​​por una mala aplicación de la misma. Entonces volvieron a entrenar a todos los técnicos de espuma. Sin embargo, aquí hay una cita de una publicación en el blog de Wayne Hale, titulada “Cómo casi perdimos Discovery”. (Wayne Hale es un director de vuelo retirado y gerente de la misión de traslado).

Una nota al margen en una sesión informativa final antes del vuelo de Discovery señaló que el gran trozo de espuma que derribó a Columbia no pudo haberse liberado de un defecto de instalación interno. Hmm Después de 26 meses de trabajo, nadie sabía cómo abordar esa pequeña declaración. Por supuesto que lo habíamos arreglado todo. ¿Qué otra cosa podría ser? ¿Qué más podriamos hacer? Estábamos agotados con estudio, prueba, rediseño. Decidimos volar .

Otro pedazo de espuma se rompió durante ese lanzamiento, y solo por pura suerte Discovery no fue golpeado. No se encontraron daños, pero claramente la espuma seguía siendo un problema. La NASA envió dos extraterrestres (por cuestiones separadas no relacionadas con el desprendimiento de espuma) en ese momento, y solo a través de eso descubrieron la verdadera causa.

“[Los rayos X] mostraron grietas en la espuma. Espuma donde no existieron defectos de instalación. Resulta que los ciclos térmicos asociados con el llenado del tanque podrían romper la espuma, especialmente en áreas donde había dos o más capas de espuma. Esto nunca apareció en las pruebas parciales del panel; solo apareció cuando “probamos” un tanque completo.

Finalmente, esto explicó la pérdida de espuma de Columbia. Y la pérdida de espuma Discovery. Y no tuvo nada que ver con la instalación incorrecta de la espuma ”.

La voluntad de volar sin saber qué causó el problema que mató a siete personas y destruyó un transbordador de $ 3 mil millones me hace preguntarme si la cultura de la NASA realmente puede cambiar, como claramente no sucedió en 2006 después de dos transbordadores y catorce vidas. Pero esa es otra historia.

Se disolvió en el flujo de aire hipersónico, debido a una falla estructural causada por la entrada de gases de reentrada sobrecalentados en la célula, a su vez causada por la falla de una sección del sistema de protección térmica.

En resumen, un trozo de aislamiento de espuma, rociado en el tanque externo para evitar que se forme hielo, caiga y dañe el delicado sistema de protección térmica del orbitador, se cayó y dañó su sistema de protección térmica.

Tampoco fue la primera vez que sucedió, fue el momento en que el trozo era particularmente grande y golpeaba en un lugar particularmente malo: el borde de ataque del ala. El daño permitió que el aire, calentado por compresión frente al orbitador durante la reentrada, rompiera el fuselaje y comenzara a derretirse y quemar el orbitador desde adentro. Tan pronto como comenzó la falla estructural, la enorme fuerza del viento a esa velocidad desgarró el barco en su mayoría de aluminio, y lo que no se quemó, llovió sobre una amplia área que se extiende desde el norte de Texas hasta el centro de Louisiana.

Esto es lo que vimos en el radar meteorológico en Shreveport.

No hubo explosión ni explosión.

Un pedazo de espuma.

El tanque de combustible externo del Columbia estaba cubierto de espuma termoaislante para evitar la formación de hielo en su superficie (contenía hidrógeno líquido y oxígeno). Durante el lanzamiento, un pedazo de dicha espuma se rompió y golpeó el ala izquierda.

De hecho, esto se detectó, pero no se investigó demasiado ya que la tripulación realmente no podía hacer nada al respecto. El director de operaciones de la misión, John Harpold, dice:

Sabes, no hay nada que podamos hacer para dañar el TPS [Sistema de protección térmica]. Si ha sido dañado, probablemente sea mejor no saberlo. Creo que la tripulación preferiría no saberlo. ¿No crees que sería mejor para ellos tener un vuelo feliz y exitoso y morir inesperadamente durante la entrada que permanecer en órbita, sabiendo que no había nada que hacer, hasta que se acabara el aire?

Cuando el transbordador volvía a entrar en la atmósfera, la fricción del aire a velocidades extremadamente altas (más de Mach 20) con el ala izquierda dañada condujo a gases calientes que penetraron en la estructura interna que lo destruyó.

Puede leer un informe detallado de la investigación en el Informe de la Junta de Investigación de Accidentes de Columbia, Volumen I.

En el clima cálido y húmedo de Florida, la alta humedad se condensa y se congela en el cono de la nariz y los lados del tanque de combustible del transbordador. La sección superior contiene oxígeno líquido, la sección inferior hidrógeno líquido. Hay una gruesa capa de espuma aislante rígida que se roció en la sección superior para limitar la formación de hielo.

Cuando el transbordador despega, la vibración sacude cualquier parte del hielo formado, generalmente en los primeros 100 pies más o menos, y se rompe en pedazos pequeños, cayendo sin causar daño.

En este caso, el hielo se formó un poco más grueso de lo normal y se quedó pegado al tanque por más tiempo. A medida que el transbordador se elevaba, un gran trozo de aislamiento (aproximadamente del tamaño de un maletín) se rompió y golpeó el borde delantero de las alas del transbordador que rompió la delgada estructura dejando un agujero. No fue diseñado para soportar este nivel de impacto.

Esto no afectaría al transbordador durante el ascenso o en órbita. Sin embargo, durante la reentrada, el plasma, como el aire caliente a velocidades hipersónicas, ingresó a la estructura del transbordador a través del orificio, derritiendo una cantidad significativa de estructura interna de aluminio, causando una falla total y la ruptura de la nave espacial.

Si busca en Google “desastre de la nave espacial Columbia” o consultas similares; Hay muchos artículos para explorar. Uno de ellos es … ¿Qué causó el desastre del transbordador espacial Columbia? De ninguna manera definitivo pero sí bastante explicativo.

Durante el ascenso, un trozo de espuma rompió el tanque de combustible externo. La espuma era ligera, pero a la velocidad que viajaban y la densidad del aire que tenían, la espuma tenía mucha energía. Ese pedazo de espuma pegó el ala derecha del Columbia justo debajo del borde. Creó un agujero en el ala. No se observó en el espacio porque esa área no es habitable, por lo que hay pocos sensores allí.

La estancia en el espacio fue normal. La revisión de la cámara mostró el impacto, pero se consideró que era seguro. Sin embargo, el ángulo de la cámara no podía mostrar qué daño había causado el impacto. No estoy seguro de si le dijeron a la tripulación, pero fue despedido rápidamente como nada de qué preocuparse.

Durante la reentrada, la nave espacial se calienta mucho en el borde del ala y debajo de ella, ya que generalmente es durante esa fase. Sin embargo, con el agujero, el calor entró dentro de la nave espacial en lugar de estar contenido afuera.

El calor extremo comenzó a destruir los elementos del ala hasta que perdió un rendimiento significativo y Columbia comenzó a tambalearse y desintegrarse con el calor que ahora llega a lugares que se suponía que no debía alcanzar. Las piezas de la nave parecían meteoritos en el cielo.

Después de ese desastre, se establecieron procedimientos para inspeccionar la parte inferior del transbordador espacial justo después de alcanzar la órbita en caso de que fuera necesaria alguna reparación. En algunos de los vuelos posteriores a Columbia se realizaron reparaciones menores, pero nada como el daño que la experiencia de Columbia repitió en cualquiera de los otros vehículos.

Las razones se explican bastante bien en la página de Wikipedia del desastre de Columbia.

Desastre del transbordador espacial Columbia – Wikipedia

Un breve resumen:

Una pieza de aislamiento de espuma se desprendió del tanque principal durante el despegue y dañó el ala izquierda del Shuttle.

Mientras estaba en el espacio, el gerente de la NASA no ordenó una inspección teórica del daño, porque asumieron que la tripulación no puede solucionar el problema en el espacio de todos modos.

Cuando el Shuttle regresó a la Tierra, durante el reingreso, el daño permitió que los gases atmosféricos calientes penetraran en el ala y destruyeran su estructura interna.

La nave espacial se separó, matando a los siete astronautas.

• Rick D. Marido
• William C. McCool
• Michael P. Anderson
• Kalpana Chawla
• David M. Brown
• Laurel Clark
• Ilan Ramon

El cono de nariz y el borde de ataque de las alas del transbordador espacial Columbia está compuesto de “compuesto de carbono y carbono reforzado “. En este material, las fibras de carbono están incrustadas en una matriz de grafito. Este material tiene un bajo coeficiente de expansión térmica que lo hace adecuado para aplicaciones estructurales a altas temperaturas. El problema con RCC es que carece de fuerza de impacto (capacidad de absorber energía en el impacto).

Al volver a entrar en la atmósfera terrestre, una pieza de aislamiento de espuma del tanque de combustible externo del transbordador colisionó con uno de los paneles RCC y lo rompió. Esto causó la falla catastrófica.

Corrección-

La pieza de espuma chocó después del despegue, no al volver a entrar. Lea el comentario de Julie Ritt para más detalles.

Además de las otras sugerencias ya hechas, aquí hay una pieza de 10,000 palabras – El último vuelo de Columbia – sobre la investigación del desastre de Columbia que le dará la respuesta.

Aquí hay una descripción más breve del desastre: Desastre de Columbia: lo que sucedió, lo que la NASA aprendió.

Aquí hay una perspectiva más y una cuenta más del desastre: ‘Lock the Doors’: el vuelo final de Columbia (Parte 4).

Que quede en el registro que Columbia era la mujer más vieja de todas, un poco pesada en la parte trasera, como lo expresó Bob Crippen (Robert Crippen) durante el evento conmemorativo de Columbia, y entre los que volaron incluía astronautas del Apolo como Ken Mattingly. Transbordador espacial Columbia.

Por supuesto, la respuesta muy breve para el desastre es esta: un golpe de espuma en el ala izquierda del orbitador (Columbia) durante el lanzamiento creó un gran agujero en el ala. Esto permaneció desapercibido durante el lanzamiento o se consideró irrelevante ya que tales golpes de espuma también habían ocurrido durante lanzamientos de transbordadores anteriores sin causar ningún desastre.

Esta vez, sin embargo, el orificio en el ala hizo que el orbitador fuera inestable durante el reingreso y los gases calientes entraron en él, lo que condujo a la desintegración del orbitador con escombros esparcidos por varios estados estadounidenses.

Te sugiero que leas este libro:

Amazon.com: Comm Check …: The Final Flight of Shuttle Columbia eBook: Michael Cabbage, William Harwood: Tienda Kindle

Entra en gran detalle sobre cada aspecto de este vuelo.

La respuesta de Ben Inbar lo resume muy bien.

Para más detalles, vea Desastre del transbordador espacial Columbia

Para muchos más detalles, vea
Junta de Investigación de Accidentes de Columbia
y
Informe de la Junta de Investigación de Accidentes de Columbia, Volumen I

En pocas palabras, un trozo de aislamiento de espuma del Tanque Externo golpeó el ala izquierda del orbitador 81.9 después del lanzamiento, perforando un agujero en él. Los altos mandos de la NASA no investigaron el incidente profundamente, creyendo que no era un evento serio, a pesar de que los ingenieros de nivel inferior pidieron que se tomara una mirada más cercana.

Cuando el Shuttle regresó a la Tierra, los gases calientes a temperaturas extremas pudieron ingresar al agujero en el ala, debilitando su estructura interna, lo que resultó en el desprendimiento del ala. Esto destruyó el perfil aerodinámico de la nave espacial y la hizo caer y romperse.

Las piezas se quemaron o volvieron a la Tierra. Se cree que los astronautas perdieron el conocimiento debido a la rápida despresurización de la cabina.

El tanque externo estaba cubierto de espuma aislante. Durante la violenta etapa de ascenso, un trozo del tamaño de una maleta se soltó y golpeó el borde delantero del ala de babor. Esta área experimenta las temperaturas más altas en el reingreso. El daño permitió que el plasma caliente ingresara al ala. El ala arrancó. Los diferenciales en la presión destrozaron el vehículo.

Las respuestas se pueden encontrar leyendo los informes de CAIB: http://www.nasa.gov/columbia/cai …

Busque en la CAIB (Junta de Investigación de Accidentes de Columbia).

Un panel del escudo térmico se desprendió y condujo a temperaturas increíblemente altas debido a la resistencia que causó la combustión.
RIP Columbianots