Dec 23, 2020

A Marte con estándares

NASA y ASTM

por Cicely Enright

El Sistema de lanzamiento espacial no tripulado de la NASA está programado para despegar en 2018, en su primer paso a una posterior misión tripulada a Marte en la década de 2030.

Un hito reciente en la misión a Marte es la terminación de la soldadura en el tanque de hidrógeno líquido de la etapa central del SLS (Sistema de lanzamiento espacial). El tanque tiene más de [40 m] 130 pies de alto, y según la NASA es el mayor tanque de combustible criogénico de un cohete en el mundo.

El tanque de hidrógeno del sistema, junto con otro tanque de oxígeno líquido, llevarán un total de [2.770 m3] 733.000 galones de combustible, y enviarán el vehículo de lanzamiento avanzado al espacio profundo.

Y, como ha ocurrido en muchas misiones, el SLS y su vehículo tripulado multiusos Orion saldrán de la atmósfera de la Tierra y entrarán en el espacio profundo con el apoyo de numerosos estándares de ingeniería, incluidos los de ASTM.

"La nueva era de la carrera espacial ha llegado, con una creciente necesidad de estandarizar el diseño, las pruebas y los procedimientos de operación en apoyo de estas misiones", dice Paul Gill, director del Programa de estándares técnicos de NASA, Huntsville, Alabama.

Compatibilidad de oxígeno

Para el despegue, el hidrógeno y oxígeno líquidos del Sistema de lanzamiento espacial se convertirán en gases en una cámara de combustión, en la que se encenderán y luego propulsarán el cohete fuera de la atmósfera terrestre. S. Eddie Davis, del Laboratorio de materiales y procesos del Centro de vuelos Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama, lidera un grupo que ha trabajado para examinar los materiales del tanque de hidrógeno y oxígeno del sistema de lanzamiento y ayudar a evitar la posibilidad de incendio.

Para reducir al mínimo el riesgo de incendio, los materiales se prueban con los estándares de ASTM. "Usamos todos los estándares ASTM para oxígeno, que son muchos", dice Davis.

Estos son los estándares del Comité de ASTM sobre Compatibilidad y sensibilidad de materiales en atmósferas enriquecidas en oxígeno (G04), incluido el método de prueba para determinar el comportamiento de combustión de los materiales metálicos en atmósferas enriquecidas en oxígeno (G124).

"Hacer las pruebas G124 es fundamental", dice Davis. Los científicos de la NASA usan el método para comparar cómo se queman diferentes materiales metálicos.

Davis y Stephen Peralta, Gerente de proyectos en la Planta de pruebas de White Sands de NASA, Las Cruces, Nuevo México, distingue otros estándares del Comité de ASTM G04 como útiles para las investigaciones de NASA. Ambos mencionan G124. También está el D2512, que es un método para medir el umbral de sensibilidad al impacto de un material con oxígeno líquido. Y está la prueba G86 que determina la sensibilidad de los materiales al impacto mecánico en oxígeno líquido y gaseoso.

Peralta también destaca G88, Guía para el diseño de sistemas para servicio de oxígeno. "G88 recopila una gran cantidad de conocimiento de la comunidad acerca de los sistemas de oxígeno, y lo coloca en un lugar en el que se lo puede consultar", dice.

También hay un manual de ASTM, el Manual 36, Uso seguro de oxígeno y sistemas de oxígeno: Manual para el diseño, operación y mantenimiento, que guía el diseño, el almacenamiento, la manipulación y el uso seguros de los sistemas de oxígeno. El Comité G04 patrocina el manual, que está en proceso de revisión. NASA exige su uso.

Hay preocupaciones especiales con la compatibilidad del oxígeno y los materiales para las misiones a Marte y otras al espacio profundo. "Para futuras misiones como la de Marte, de larga duración, usted quisiera poder llegar en un día, pero eso es imposible", dice Davis. "Va a tener que transportar oxígeno durante prolongados períodos de tiempo, especialmente bajo alta presión." Y es necesario utilizar el material más seguro para la aplicación.

Peralta supervisa el mantenimiento de una guía para la evaluación de la compatibilidad de materiales no metálicos para el servicio de oxígeno (G63). El Dr. Jess Waller, Ph. D., director de proyecto en la Planta de pruebas de White Sands de NASA, Las Cruces, Nuevo México, supervisa una práctica para evaluar la resistencia al envejecimiento de los materiales poliméricos en atmósferas enriquecidas con oxígeno (G114) mediante el uso de procedimientos desarrollados en los comités de ASTM sobre Caucho (D11) y Plásticos (D20).

NASA también está investigando la posibilidad de usar materiales compuestos para tanques de propulsión de cohetes, ya sea solos o en combinación con metales, a fin de lograr un conjunto más liviano. Aquí también G124 ayudará a determinar si es un buen enfoque o no.

Pruebas de simulación espacial y más 

Cuando se organizó en 1963 el Comité E21 sobre Simulación espacial y aplicaciones de la tecnología espacial, la revista de ASTM Materials Research and Standards señaló que su primera reunión se convocó con un sentido de "urgencia e inmediatez". MR & S informó que "las fallas de sonda espacial recientes han sido costosas para los Estados Unidos en tiempo y dinero. La falla de una sonda espacial instrumentada es cara, pero la falla de un vehículo espacial tripulado sería un desastre." NASA fue parte del trabajo desde el principio, con sus representantes en la función de presidentes de dos de los nuevos subcomités del grupo.

Hoy en día, los estándares E21 siguen siendo parte integral de las pruebas de simulación espacial. Dichas pruebas pronostican el desempeño en el espacio y ayudan a asegurar que las naves espaciales estén preparadas para el medio ambiente exterior a este mundo. La nave espacial de la NASA, por ejemplo, debe probarse con E595, un método reconocido internacionalmente de examen de materiales no metálicos para uso en el vacío del espacio.

Otros grupos de E21 se concentran en la contaminación y la protección térmica, aspectos críticos para la seguridad y el desempeño. El subcomité sobre Contaminación supervisa 35 estándares que describen cómo descubrir, muestrear y medir la contaminación, que puede tener un impacto negativo en los sensores y otros equipos. El subcomité mantiene 15 estándares que tratan sobre los materiales de protección térmica para aplicaciones espaciales. Este año, E21.08 publicó un método para medir el flujo de calor, que es crítico para elegir los materiales con las condiciones de exposición térmica necesarias.

Los estándares de otros comités también son útiles

Por ejemplo, la práctica de puntadas y costuras (D6183) del Comité sobre Textiles (D13) se usa en la fabricación de los trajes espaciales. D6183 muestra el aspecto de diversas puntadas y la forma en que unen las capas de tela en una costura. La elección de la combinación correcta de puntada, costura y tipo de hebra contribuye a la durabilidad y la resistencia. Y el estándar cubre la finalidad general de cada uno. Así, los elementos cosidos funcionarán como se espera.

Otro ejemplo es un estándar del Comité sobre Pruebas no destructivas (E07). El estándar, que trata sobre pruebas de fugas (E1066), es útil para localizar y medir las fugas de gas de piezas o recipientes que contienen gases o líquidos explosivos. Dichos sistemas podrían ser de refrigeración o de almacenamiento de fertilizantes.

Para mejorar la confiabilidad y el aseguramiento de la misión de componentes y materiales compuestos de panel plano utilizados en aplicaciones aeroespaciales, se ha emitido una serie de prácticas y una guía complementaria bajo la jurisdicción de E07. Estos estándares, que recopilan la mejor práctica actual de pruebas no destructivas para materiales compuestos de panel plano y reemplazan el estándar NAS 999, se iniciaron en el grupo de trabajo sobre Pruebas no destructivas de materiales aeroespaciales, dirigido por Waller, que reside en el subcomité E07 sobre Métodos especializados de pruebas no destructivas. Estos estándares exigen específicamente las mejores prácticas actuales para las pruebas de ultrasonido, shearografía, termografía flash de infrarrojos, emisión acústica y ensayos radiológicos de materiales compuestos, construcciones de núcleo por capas (tipo sándwich), y parches de reparación. También está disponible una guía complementaria (E2533) que trae una orientación general sobre pruebas no destructivas para la inspección de materiales compuestos de matriz polimérica.

Un reciente impulso para el desarrollo de pruebas no destructivas de componentes compuestos más complejos culminó recientemente en la publicación de dos guías para pruebas no destructivas de revestimientos metálicos de pared delgada (E2982) y envolturas de material compuesto (E2981) en recipientes a presión con filamento enrollado, también conocidos como recipientes a presión con compuesto sobreenvuelto (COPV). Estas guías también son productos del grupo de trabajo E07.10 sobre Pruebas no destructivas de materiales aeroespaciales.

Estándares de impresión 3D y futuros vuelos espaciales 

NASA, en colaboración con colegas nacionales e internacionales procedentes de los sectores gubernamental, industrial y académico, está mirando hacia el futuro y las posibilidades de fabricación aditiva. Su enfoque inicial es sobre las piezas metálicas usadas en aplicaciones aeroespaciales que tengan márgenes estructurales bajos o altos, y que también pueden ser críticos en caso de fractura. La agencia también está estudiando la fabricación aditiva (AM) para aplicaciones de dispositivos de tierra y espaciales. Podría usarse para fabricar piezas en el espacio que sean necesarias mientras se está en órbita o en tránsito, para reducir el peso, aumentar la confiabilidad de la misión y hacer componentes complicados de "diseño hasta la restricción" ("design-to-constraint") con menos piezas, menor tiempo de espera, menos residuos y menor costo.

Es bien conocido que las pruebas no destructivas jugarán un papel clave en la calificación de piezas hechas por fabricación aditiva para uso en aplicaciones aeroespaciales. Con este fin, Waller está liderando un esfuerzo de ASTM para desarrollar una guía de pruebas no destructivas para piezas metálicas de fabricación aditiva en el grupo de trabajo sobre Pruebas no destructivas de materiales aeroespaciales. El estándar propuesto (WK47031) tratará sobre los métodos establecidos y emergentes para detectar fallas y defectos durante y después de la fabricación. "Estamos trabajando con los expertos en la materia de pruebas no destructivas del E07 y los expertos en fabricación aditiva del Comité F42 de ASTM para proponer las mejores prácticas de pruebas no destructivas aplicadas a las piezas metálicas de fabricación aditiva, y así ayudar a garantizar su uso seguro y confiable en las aplicaciones de vuelo de la NASA", dice Waller.

"Hasta que se implementen los procedimientos de calificación y certificación de pruebas no destructivas, no se permitirá el uso de piezas de fabricación aditiva en aplicaciones aeroespaciales", dice Waller. "También usamos pruebas no destructivas para monitorear el desempeño de los dispositivos durante la vida útil de servicio, para garantizar que las piezas sigan siendo confiables y seguras de usar."

Miembros de NASA 

Los miembros del personal de NASA, que trabajan por todo Estados Unidos, se desempeñan en diversos comités de ASTM:

Materiales compuestos (D30), Materiales cerámicos avanzados (C28), Rodamientos (F34), y Fatiga y fractura (E08), que impactan en los materiales usados para fabricar naves espaciales;

Estándares de prevención de incendios (E05) y Compatibilidad de oxígeno con materiales (G04), para trabajos relacionados con incendios;

Ropa y equipo de protección personal (F23), que ayuda a asegurar que los trajes espaciales funcionen como deben;

Tecnologías de fabricación aditiva (F42) y Pruebas no destructivas (E07), para las piezas y materiales del futuro.

La NASA y la Asociación con ASTM 

La participación de NASA en el desarrollo de los estándares de ASTM no es nueva.

Los miembros de ASTM que trabajan en la NASA citan la circular OMB, A-119, Participación federal en el desarrollo y uso de estándares de consenso voluntario y en Actividades de evaluación de conformidad, como el cambio del enfoque de NASA para el desarrollo de estándares. Antes de A-119, solo había estándares de NASA. Los estándares eran específicos de los centros individuales de NASA, que son 10, sin un punto de acceso central.

S. Eddie Davis, del Centro de vuelos Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama, dice que NASA necesita participar en los estándares de la industria y trabajar con otras compañías involucradas en esfuerzos similares a los de la agencia. Así, todos se beneficiarían. La OMB A-119 estimuló eso.

Con base en Huntsville, Alabama, en el Centro de vuelos espaciales Marshall de la NASA, Paul Gill administra el Programa de estándares técnicos de NASA; también es Presidente del Panel de estándares de ingeniería de la NASA. Gill dice: "estaba costando mucho más dinero internamente [antes de A-119], y estábamos consolidando nuestros propios estándares para operar bajo un estándar común a través de toda la agencia." Usar estándares disponibles a través de otros grupos tenía sentido.

Actualmente, el Sistema de estándares técnicos de la NASA proporciona a la agencia acceso a más 1,9 millones de estándares, códigos, reglamentos y documentos relacionados.

Hoy en día, dice Gill, el Programa de estándares técnicos ha integrado con éxito los diversos productos de estándares de la agencia en una sola plataforma. Y hay una utilidad adicional que proviene de las notas de aplicación y las lecciones aprendidas de quienes usan los estándares, que se incluyen con los estándares.

Cuando sea necesario, si no hay un estándar de la industria, NASA desarrolla sus propios estándares por medio de pequeños grupos de trabajo que desarrollan borradores que finalmente son revisados y aprobados por toda la agencia.

Desde mayo de 2015 a mayo de 2016, los estándares de ASTM representaban la mayor cantidad de descargas de estándares a través del sistema de estándares técnicos, seguidos por los de SAE. Otras organizaciones a las que se hace referencia en el mismo período son la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), la Asociación Nacional de Protección contra Incendios de los EE. UU. (NFPA) y la Sociedad Estadounidense de Soldadura (AWS), entre otras.