Tipos de fallos y sus causas en proyectos espaciales

Fallos aleatorios

Los fallos aleatorios son aquellos debidos a defectos físicos residuales (debilidades) de piezas que no han sido identificados durante la selección, calificación o control de calidad en las fases de aprovisionamiento. Estos fallos se caracterizan por ocurrir con una frecuencia indeterminada sin entender, a priori, la causa raíz que los originó. Estos fallos están directamente relacionados con una pieza en particular y son mutuamente independientes de un sistema a otro. 

Durante la fase de aprovisionamiento para un proyecto espacial los componentes y materiales se someten a unas exigentes y costosas pruebas de verificación con el objetivo de seleccionar únicamente aquellas que cumplen los requisitos específicos de la aplicación. Muchas veces estas pruebas incluyen ensayos de vibración, ciclos térmicos, radiaciones ionizantes o desgasificación (outgassing). Una vez superadas estas pruebas, el componente o material se identifica como "calificado para espacio".

Las causas de los fallos aleatorios suelen estar relacionadas con:

• El nivel de calidad de los materiales y componentes
• La relación entre el estrés aplicado y la resistencia de la pieza
• Eventos dañinos intermitentes

Ejemplos de fallos aleatorios son todos aquellos de los cuales se desconoce su causa, como por ejemplo componentes electrónicos que presentan circuitos abiertos o cortocircuitos sin causa aparente.

Fallos sistemáticos

Los fallos sistemáticos son aquellos ligados de forma determinista a una causa concreta, que únicamente pueden ser eliminados mediante una modificación del diseño, durante el proceso de fabricación o durante los procedimientos operacionales. Es decir, son originados por un error humano en el diseño, por un error de fabricación o un error de operación.

Los fallos sistemáticos pueden relacionados con una pieza en particular debido a errores de diseño o fabricación, o pueden no estarlo cuando el error se ha introducido durante un proceso posterior en el que la pieza ha estado involucrada.

Los fallos sistemáticos relacionados con una pieza en particular pueden llegar a tener un importante impacto en sistemas espaciales redundantes, ya que ambos canales -el nominal y el redundante- pueden estar afectados por el mismo fallo, aunque no necesariamente al mismo tiempo y con la misma probabilidad de ocurrencia. La utilización de componentes y materiales calificados para espacio reduce de forma efectiva este tipo de fallos.

Las causas de los fallos sistemáticos son errores de diseño, errores de fabricación y errores de operación.

Ejemplos de fallos sistemáticos pueden ser:

• Errores en la selección de la resistencia de ciertas piezas respecto a la carga a la que se ven sometidas durante su operación (diseño)
• Exceso de temperatura de fusión durante el proceso de soldadura de los componentes de una placa electrónica, produciendo la expulsión de bolas de material que pueden llegar a crear cortocircuitos en las conexiones eléctricas de los componentes (fabricación)
• Exceso del nivel de vibración durante las fases de verificación de un equipo de vuelo (proceso)

Procedimiento espacial incorrecto que puede originar una orden peligrosa en vuelo (operación) 

Fallos por desgaste

Los fallos por desgaste son el resultado de procesos físicos dependientes del tiempo debido al envejecimiento provocados por un excesivo estrés operacional o medioambiental La causa raíz de este tipo de fallos es un proceso de degradación de las características de diseño de la pieza.

Uno de los objetivos del diseño de sistemas espaciales es evitar los fallos por desgaste asegurando que los elementos de vida limitada estén calificados como elementos de vida segura, es decir, que sean diseñados para proporcionar las prestaciones especificadas durante su vida especificada, y calificados por verificación, generalmente con un factor adicional de seguridad. Por tanto, en este tipo de elementos no se esperan fallos por desgaste antes de la finalización de su vida especificada.

Los fallos por desgaste debidos degradaciones de componentes o materiales espaciales antes de lo previsto, es decir, antes de su vida especificada, son considerados fallos sistemáticos en el caso de errores de diseño o fabricación, o aleatorios si un defecto físico residual (o debilidad) ha acelerado el proceso de degradación de sus características.

En el caso de que la vida de un elemento se extienda más allá de la especificada, la calificación de elemento de vida segura deja de ser válida y los fallos por desgaste deben ser tenidos en cuenta en la predicción de la tasa de fallo del sistema que integra. Lo mismo aplica a tecnologías para las que ya se espera cierta degradación durante su vida especificada (por ejemplo partes mecánicas).

Las causas de este tipo de fallos pueden ser:

• Operacionales: por uso, por ciclo de trabajo o desgaste mecánico
• Medioambientales acumulativos: ciclos térmicos, radiación, luz ultravioleta, oxigeno monoatómico

Ejemplos de fallos por desgaste pueden ser:

• Degradación progresiva de los parámetros de un componente electrónico debido a los efectos de la radiación acumulada
• Fallo de un cojinete debido a la degradación de las características de su lubricante

Pérdida de energía de baterías debido a su envejecimiento. 

Fallos extrínsecos

Los fallos extrínsecos son aquellos inducidos por las condiciones ambientales del espacio en los elementos de vuelo, es decir, su causa raíz es el estrés medioambiental debido a:

• Condiciones físicas:
• Vacío: desgasificación, transferencia de calor
• Efectos térmicos: radiación solar, albedo solar, radiación de proveniente de la Tierra
• Campo geomagnético: dependiendo del viento solar y actividad solar
• Efectos del lanzamiento:
• Vibraciones mecánicas: vibraciones durante el lanzamiento
• Choques: activación pirotécnica
• Partículas externas:
• Plasma: descargas electroestáticas
• Partículas de alta energía: degradación o destrucción de semiconductores

Impacto de escombros espaciales.

La desgasificación (outgassing) es el fenómeno producido por la sublimación o evaporación de ciertos materiales en condiciones de vacío, acelerado por variaciones de temperatura, cuyas partículas se depositan posteriormente en superficies sensibles más frías, como por ejemplo ópticas o contactos eléctricos, provocando fallos.

Es importante tener en cuenta que los fallos debidos a una acumulación de fallos extrínsecos se clasifican, por convención, como fallos por desgaste, como por ejemplo:

• Efectos erosivos del oxígeno monoatómico
• Efectos de las radiaciones ionizantes y no ionizantes
• Efectos de la radiación ultravioleta

Ejemplos de fallos extrínsecos podrían ser:

• Efectos destructivos sobre semiconductores debidos a las partículas de alta energía
• Corrupción de datos en memoria debido a los efectos de degradación provocados por partículas de alta energía
• Contaminación de superficies ópticas debido a la desgasificación de ciertos materiales
• Impactos de escombros espaciales sobre componentes críticos no protegidos

Fracturas de elementos estructurales debido a vibraciones durante la fase de lanzamiento.