Siga la industria espacial el tiempo suficiente y notará que una gran cantidad de fallas catastróficas de satélites o vehículos de lanzamiento pueden atribuirse a una parte físicamente pequeña pero ubicua: las válvulas.
Las válvulas desempeñan un papel fundamental en la arquitectura de la nave espacial, regulando el flujo de presiones, como el helio, y los propulsores. También se pueden encontrar en vehículos de lanzamiento y, por su número, son uno de los subcomponentes más comunes de estos sistemas. Esta realidad se puso de relieve esta semana, cuando Astrobotic anunció que su módulo de aterrizaje lunar Peregrine no podría intentar un aterrizaje suave en la luna debido a una fuga de propulsión que puso fin a la misión, probablemente con orígenes en una válvula que no pudo volver a sellarse.
Pero Astrobotic está lejos de ser la única compañía espacial que tuvo una misión interrumpida por problemas con las válvulas durante las pruebas o en órbita. boeing enfrentó importantes retrasos en la misión para el segundo vuelo de prueba orbital de su cápsula tripulada Starliner debido a problemas con las válvulas, y en 2019, Crew Dragon de SpaceX explotó durante una prueba en tierra debido a una válvula con fugas en el sistema de propulsión.
«Hay mil formas diferentes de hacer que una válvula se sienta insatisfecha», dijo Jake Teufert, director de tecnología de Benchmark Space Systems, una startup con sede en Vermont que desarrolla sistemas de propulsión para naves espaciales.
Incluso mil podrían ser un eufemismo. En general, las válvulas se componen de un émbolo que debe volver a asentarse después de ser accionado y que debe cerrarse formando un sello. «Si hay algún problema con eso, puede cerrarse mal y causar fugas», dijo Grant Bonin, diseñador de naves espaciales y fundador de GravityLab.
Pero esta descripción es demasiado simple, hasta el punto de inducir a error. Las válvulas aeroespaciales deben fabricarse con altísima precisión, ser lo más livianas posible y poder soportar una serie de extremos: temperaturas extremas, fluidos extremos, entornos de vibración extrema y presiones extremas, a veces hasta miles de libras por pulgada cuadrada. Las válvulas también deben tener requisitos de fugas ultrabajas; Teufert dijo que algunas válvulas tienen tasas de fuga permitidas equivalentes a la fuga de sólo un gramo de helio en el transcurso de 200 años.
Para complicar aún más las cosas, están las realidades físicas subyacentes con las que deben lidiar los ingenieros y fabricantes de válvulas. Por ejemplo, algunos combustibles y oxidantes son incompatibles con ciertos polímeros de juntas de válvulas, y la incompatibilidad química puede provocar problemas como corrosión o grietas. Los ingenieros también deben estar atentos a los «desechos de objetos extraños» o FOD, la partícula más pequeña de desechos o impureza que puede obstruir una válvula o impedir el sellado adecuado. Incluso las fugas pequeñas pueden causar efectos desbocados, porque el gas en rápida expansión enfría las cosas, lo que puede sacar la válvula de su rango de temperatura aceptable.
Los ingenieros someten las naves espaciales a una serie de pruebas en tierra, pero el entorno de vuelo sólo puede igualarse hasta cierto punto, explicó Teufert.
“Ciertamente puedes arrojar algo sobre la mesa agitadora y hacer un [vibration] perfil, pero es posible que no lo hagas mientras también estés completamente presurizado y expuesto a vapores oxidantes, que es lo que sucede en vuelo”, dijo. «La mayoría de los laboratorios de pruebas, si pones un tanque lleno de tetróxido de nitrógeno en una mesa agitadora, no te dirán ‘no’, sino ‘diablos, no'».
Al final del día, los ingenieros se enfrentan a una lista increíblemente larga de modos de falla y en algún momento deben determinar su confianza en las pruebas. Además, no es raro que las empresas consuman todo su margen de cronograma con diseño, adquisiciones y construcción, dejando al departamento de pruebas con la mayor presión de cronograma.
«Cuando hay rotación interna y cuando se trabaja con un montón de proveedores diferentes, puede ser muy fácil no realizar pruebas adecuadas y pasar por alto algunos de estos problemas», dijo Bonin.
Podría ser tentador pensar, ¿por qué no agregar una válvula adicional, de modo que si una no se abre, haya una válvula de respaldo? Pero agregar dos válvulas (o cualquier subcomponente adicional) puede crear modos de falla completamente nuevos que nunca tendría con una sola válvula.
El otro tema es la cadena de suministro. A pesar de los volúmenes relativamente altos de naves espaciales que salen del programa Starlink de SpaceX, Kuiper de Amazon, OneWeb y toda la serie de nuevas empresas espaciales emergentes, los subcomponentes de las naves espaciales todavía están muy, muy lejos de ser producidos en masa.
«En esencia, el problema es que el espacio simplemente no es un mercado de masas», dijo Bonin. “Cada vez que alguien en el sector aeroespacial habla de producción en masa, me río entre dientes, porque a veces hacemos cosas en un volumen intermedio, pero no hacemos nada que sea verdaderamente producción en masa. Por eso no somos los clientes prioritarios de estas empresas”. Teufert se hizo eco de estos pensamientos y dijo: «Como industria, todavía estamos en el punto de ser hardware artesanal, hecho a mano, si es que se trata de algo específico aeroespacial, y eso definitivamente se extiende a las válvulas».
Debido a los volúmenes relativamente pequeños de producto, la fabricación sigue siendo en gran medida a medida, con muchas válvulas fabricadas en series muy pequeñas para sistemas de propulsión o naves espaciales específicos. Pero la competencia de los proveedores no es necesariamente estable en el tiempo, porque el proceso es muy boutique y depende en gran medida del conocimiento tribal.
«Si es algo que están produciendo en gran escala por año, tienen excelentes procesos y conocimientos bien distribuidos sobre cómo fabricar esa válvula u otro componente de manera confiable a lo largo del tiempo», dijo Teufert. «Mientras que la pequeña y extraña válvula aeroespacial de la que están fabricando 10 por año para este nicho de mercado, es [made by] un tipo llamado Bob, que tiene poco más de 60 años y tiene un pie en la jubilación. Los hace cada dos años y luego Bob se va, y todo ese conocimiento tribal se va por la puerta porque no había nadie que subiera bajo las órdenes de Bob. Lo he visto en un montón de componentes”.
Sin duda, esto no es cierto para todos los programas; por ejemplo, el verano pasado el diseñador y fabricante de válvulas Marotta anunció que había entregado su válvula solenoide CoRe número 30.000 a SpaceX. Pero en otros casos, las empresas espaciales más pequeñas deben lidiar con plazos de fabricación más largos en volúmenes más pequeños, comprar productos comerciales listos para usar o intentar encontrar una solución internamente.
La presidenta y directora de operaciones de SpaceX, Gwynne Shotwell, con representantes de Marotta. Créditos de imagen: Marota
«Puedo comprar la misma pieza dos veces, pero si Jim hizo la Parte A y Joe hizo la Parte B, aunque tengan el mismo número de pieza, su calidad es dramáticamente diferente», dijo Bonin. O si su técnico principal tuvo un lunes de mierda, es posible que se haya saltado un paso. Simplemente hay errores humanos en todas partes en estas cosas”.