CHALLENGER: la tragedia que se pudo haber evitado

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Hace unos pocos días, en concreto el 28 de enero, se celebraron 34 años del accidente sufrido por el transbordador espacial Challenger, que se desintegró 73 segundos después del lanzamiento, acabando con la vida de sus 7 tripulantes. ¿Se pudo haber evitado la tragedia del Challenger?

Lo ocurrido con el Challenger no sería el único drama vivido por el programa del transbordador espacial. En febrero de 2003, el Columbia sufrió la misma suerte, pero por causas diferentes: durante el lanzamiento, debido al desprendimiento de un trozo de espuma de aislamiento, se generó una perforación en el ala izquierda del orbitador; después de una misión de 16 días, al reingresar a la atmósfera, entraron gases calientes por el orificio que destruyeron la estructura interna del ala, haciendo que la nave se volviera inestable y provocando la posterior destrucción del transbordador.

Sin embargo, los casos del Challenger y el Columbia fueron la excepción de un programa que duró 30 años, durante los cuales los 5 transbordadores: Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis y Endevour, realizaron 135 misiones. La última de estas, llevada a cabo por el Atlantis para llevar suministros a la Estación Espacial Internacional, terminó el 21 de julio de 2011.

Transbordadores espaciales de la NASA

Figura 1. Los 5 transbordadores espaciales de la NASA. Fuente: Wikipedia.

Después del accidente del Challenger, la comisión presidencial de investigación (Comisión Rogers) realizó un análisis exhaustivo del accidente, determinando que las juntas tóricas mal ajustadas en los cohetes aceleradores sólidos (SRB, de sus siglas en inglés), combinado con la baja temperatura ambiental antes del lanzamiento, precipitaron la deflagración.

Asimismo, descubrieron que, desde 1977, los ingenieros de la NASA estaban al corriente del problema de las juntas tóricas y de que podía tener consecuencias catastróficas. Eso condujo a la Comisión Rogers a concluir que la tragedia del Challenger fue «un accidente arraigado en la historia».

En esta entrada se presenta el análisis de las causas que llevaron al desenlace del Challenger y se explora la forma en que este accidente se pudo haber evitado utilizando TRIZ.

Herramientas de sistema vs. herramientas de proceso

Lo que ocurrió en la sucesión de acontecimientos que condujeron al desastre del Challenger es el resultado directo de un hecho obvio, pero a menudo ignorado: las herramientas diseñadas para la mejora de procesos no siempre son escalables al nivel de sistemas complejos.

En la mayoría de los casos, las herramientas de proceso son en gran medida cuantitativas, centradas en secuencias funcionales y en su mayoría están aisladas de la influencia externa.

Lo mismo no es cierto para los sistemas complejos más grandes, que experimentan una interacción mucho más significativa con el entorno externo. Esa interacción no solo puede dar lugar a una mayor incertidumbre y variabilidad, sino que las decisiones sobre los asuntos más importantes a menudo no pueden evaluarse cuantitativamente.

Los procesos son repetitivos. Se rigen por procedimientos operativos estándar y mejores prácticas que, a su vez, están diseñados para guiar situaciones repetibles de manera consistente y precisa.

Los sistemas abordan una variedad mucho más amplia de condiciones y circunstancias, no esperándose que los datos cuantitativos sean universalmente relevantes.

Resolución de problemas en sistemas complejos

La resolución de problemas en sistemas complejos exige capacidades que las herramientas de mejora de procesos, por su naturaleza, no pueden proporcionar. Las herramientas deben ser capaces de:

  • Tratar con la preponderancia de datos cualitativos, más que cuantitativos.
  • Sintetizar datos cualitativos en información útil.
  • Considerar interacciones complejas entre los componentes del sistema.
  • Incorporar los efectos de las políticas y las decisiones de gestión en un análisis de causalidad del sistema.

En otras palabras, las herramientas de proceso están considerablemente más estratificadas y tienen un foco más estrecho. Las herramientas del sistema tienen, por definción, un alcance más extenso y abordan una variedad más amplia de situaciones.

Las herramientas de proceso nos dicen cómo solucionar problemas y reparar componentes que forman parte de un sistema.

Las herramientas de sistema nos dicen por qué una acción de mejora de proceso específica parece no tener un impacto significativo en el rendimiento general del sistema y qué hacer al respecto.

¿Por qué son tan importantes las herramientas de sistema, o una aproximación sistémica? Porque cualquier organización vive, se desarrolla y/o muere como un sistema complejo, no como una colección de partes aisladas. Las interacciones entre las partes son tan importantes, o tal vez más, que la mejora de las partes o procesos individuales.

Contrariamente a la sabiduría tradicional, el sistema no es la suma de sus partes, ni es más que la suma de sus partes. Es el producto de los componentes del sistema y las interacciones con el entorno, que pueden no ser lineales ni aditivos.

El problema

El origen fundamental del accidente del Challenger podría atribuirse a las políticas de adquisición que otorgaron el contrato de los cohetes aceleradores sólidos (SRB) al mejor postor en 1972.

No obstante, la primera manifestación del problema ocurrió en 1976, cuando se reveló un dilema importante que brindó una oportunidad, no reconocida en ese momento, para generar una solución ganar-ganar que hubiera evitado el accidente del Challenger y salvado siete vidas.

Morton Thiokol Corp. (MTC) recibió el contrato de los cohetes aceleradores sólidos (SRB) del transbordador espacial sobre la base, en gran medida, de ser el licitador con el precio más bajo. MTC se sentía confiada en su oferta baja porque imaginó los SRB del transbordador espacial simplemente como una versión ampliada de los altamente confiables SRB de los cohetes Titan III.

Lo que MTC no anticipó fueron los problemas asociados con la fabricación de un sistema de propulsores sustancialmente más grande que la configuración básica, debido al mayor empuje necesario en el caso de los transbordadores espaciales.

Los SRB de los Titan III tenían un diámetro más pequeño que los propulsores necesarios para el transbordador. Además, se ensamblaban verticalmente en segmentos cilíndricos garantizándose la integridad de la sección transversal perfectamente circular. La unión de los segmentos se efectuaba con un diseño de horquilla y espiga, asegurado el sellado con juntas tóricas de neopreno, para ser capaces así de soportar las presiones de la combustión durante el lanzamiento.

Los propulsores del transbordador espacial tenían el doble de diámetro que los propulsores Titan III y casi el doble de su altura, aunque la carcasa del propulsor era casi del mismo espesor. Debido a su altura, los SRB del transbordador espacial no podían ensamblarse verticalmente como los propulsores de la familia de cohetes Titan III.

Familia de cohetes Titan III

Figura 2. Familia de cohetes Titan III.

Así que MTC decidió ensamblar los SRB del transbordador espacial horizontalmente. Los propulsores completos, llenos de propelente, se enviaría por ferrocarril desde las instalaciones de MTC en Utah hasta Cabo Cañaveral en Florida, para unirse con el tanque principal del transbordador espacial y el vehículo orbitador.

En 1976, MTC encontró un problema imprevisto. Al ensamblar horizontalmente los segmentos cilíndricos del propulsor de mayor diámetro (y mayor peso), con una carcasa de casi el mismo espesor de pared que los utilizados en los Titan III, se aplastaban ligeramente, perdiendo su sección transversal perfectamente circular e impidiendo que los elementos de unión de horquilla y espiga pudieran acoplarse según las especificaciones del diseño original.

Debido a que los extremos de la horquilla eran ligeramente más rígidos que los extremos de la espiga, no se alargaban lo suficiente. La tolerancia entre la horquilla y la espiga era muy estrecha. El resultado neto era que la espiga de un segmento no encajaba en la horquilla de su segmento acoplado.

La solución "parcial"

Por supuesto, lo que sucedió 10 años después no fue evidente para los ingenieros de MTC en 1976. Todo lo que sabían era que se encontraban frente a un dilema: Rediseñar el equipo de ensamblaje para que los propulsores pudieran montarse verticalmente (como en los Titan III), o cambiar las especificaciones de diseño para que el ensamblaje se realizase en posición horizontal.

La decisión comercial y de gestión del proyecto superó la recomendación de ingeniería. En lugar de invertir el dinero para construir la enorme torre de ensamblaje requerida para montar los SRB de 120 pies (36,58 m), que, además de incurrir en un costo sustancial, causaría retrasos inaceptables en el proyecto, los gerentes de programas de MTC y NASA optaron por cambiar el diseño.

Los ingenieros de MTC aumentaron el espacio entre las partes interna y externa de la horquilla para acomodar la pequeña distorsión de la sección transversal circular de la espiga, permitiendo que los segmentos encajasen entre sí.

Figura 3. Diseños de juntas en la unión de los segmentos de los SRB. Fuente [1].

Sin embargo, cuando se busca una solución de compromiso, se mejora uno de los parámetros, pero se empeoran otros… o se generan problemas adicionales.

En 1977 MTC descubrió el problema que esta solución creaba cuando realizó pruebas hidrostáticas para simular las presiones de lanzamiento dentro de la carcasa del propulsor. Los ingenieros de prueba de MTC bombearon agua dentro de un propulsor sellado y aumentaron progresivamente la presión. A una presión considerablemente menor de la que producirían las condiciones de lanzamiento proyectadas, se presentaron fugas en los segmentos acoplados.

La solución de MTC, aprobada por la NASA, fue especificar una junta tórica más grande para sellar los segmentos problemáticos. Además, se tuvieron que encajar 180 calces en la horquilla alrededor de la circunferencia del segmento para garantizar un sellado adecuado después del incremento de holgura en la horquilla. Se usó una masilla de cromato de zinc para proteger las juntas tóricas de las altas temperaturas durante la operación del motor del cohete, y esto pareció funcionar.

Desafortunadamente, más tarde se determinó que las pruebas de estanqueidad generaban agujeros en la masilla de cromato de zinc, reduciendo sustancialmente su capacidad para actuar como barrera térmica. Además, la temperatura ambiental baja endurecía las juntas tóricas, haciéndolas muy poco flexibles durante las vibraciones de lanzamiento y comprometiendo su capacidad de sellado.

Finalmente, esta sucesión de eventos y decisiones de gestión que relajaron las precauciones, fueron las que comprometieron la seguridad funcional del sistema, conduciendo eventualmente al accidente del Challenger.

Usando TRIZ

Si pudiésemos volver a 1976, nos encontraríamos con un sistema complejo en el que se presentaban desafíos tanto técnicos como económicos y de gestión, que no deberían haberse abordado con un enfoque basado en mejora de procesos.

Por el contrario, hubiese sido necesario un enfoque sistémico que facilitase el análisis y comprensión amplia de todos los factores involucrados.

En este caso, por razones de simplicidad, vamos a centrar el análisis únicamente en el sistema SRB, y más concretamente en la unión de los segmentos que conforman los SRB.

Como se ha mencionado anteriormente, el primero de los escollos al que se enfrentó MTC al ensamblar propulsores de mayor diámetro era la necesidad de hacerlo en posición horizontal. Eso generaba dos conflictos o, como se denomina en TRIZ, dos contradicciones técnicas.

Una contradicción técnica es una situación que surge cuando al intentar resolver un problema, mejorando un determinado parámetro de un sistema técnico (efecto positivo), se produce la degradación inaceptable de otro parámetro del mismo sistema (efecto negativo).

De esta forma, las contradicciones técnicas identificadas al ensamblar los SRB en posición horizontal son las siguientes:

  • Contradicción técnica Nº1: Al incrementar el diámetro del SRB, en este caso área (efecto positivo) se dificulta el ensamblaje, o fabricabilidad del propulsor (efecto negativo).
  • Contradicción técnica Nº2: Al incrementar el diámetro del SRB – área – (efecto positivo) se distorsiona la circularidad – forma – de los segmentos del propulsor (efecto negativo).

En la siguiente figura se puede observar la representación gráfica de ambas contradicciones técnicas.

Contradicciones técnicas ensamblaje horizontal de los SRB

Figura 4. Contradicciones técnicas en el ensamblaje horizontal de los SRB. Fuente: Elaboración propia.

Uno de los descubrimientos más importantes de TRIZ ha sido identificar el valor innovador que supone la eliminación completa de las contradicciones, evitando soluciones de compromiso que satisfacen parcialmente ambos parámetros de la contradicción, o totalmente uno de ellos.

También es importante reconocer cuál es la mejor solución que se espera encontrar, o lo que en TRIZ se llama RFI, Resultado Final Ideal.

Volviendo a 1976, los ingenieros de MTC buscaban el siguiente RFI: «los segmentos se acoplan, de forma sencilla, sin procesos añadidos, sin fugas y a un bajo costo».

¿Cómo se podría haber conseguido una solución ganar-ganar para lograr el RFI y evitar la adopción de la solución que condujo a la tragedia?

Hubiese bastado utilizar la combinación de dos de las herramientas más populares de TRIZ: la Matriz de Contradicciones y los 40 Principios de Inventiva.

Si traducimos los efectos positivos y negativos de las dos contradicciones técnicas antes mencionadas a los parámetros genéricos de la Matriz de Contradicciones de Altshuller, obtendríamos lo siguiente:

  • Efecto positivo 1 y 2: Diámetro del SRB = Área del objeto en movimiento.
  • Efecto negativo 1: Dificultad de ensamblaje del SRB = Fabricabilidad.
  • Efecto negativo 2: Desviación de la circularidad de la sección transversal de los segmentos del SRB = Forma.

Trasladándolos a la Matriz de Contradicciones de Altshuller, nos encontramos con los siguientes Principios Inventivos recomendados para resolver las dos contradicciones técnicas identificadas:

  • Contradicción técnica Nº1: 13, 1, 26, 24
  • Contradicción técnica Nº2: 5, 34, 29, 4

Entre ellos, se presentan dos Principios que resultan increíblemente útiles para conseguir una solución que más se acerque al Resultado Final Ideal propuesto:

Principio 24 (Mediador):

  • Utilizar un objeto intermediario para transferir o llevar a cabo una acción.
  • Conectar temporalmente un objeto a otro que sea fácil de eliminar.

Principio 34 (Rechazo y regeneración):

  • Rechazar o modificar un elemento de un objeto después de que ha completado su función o se haga inútil (descartar, disolver o evaporar).
  • Restaurar completamente cualquier parte usada de un objeto.

Si se combinan estos dos Principios Inventivos podemos llegar a la idea de utilizar un útil (mediador) que permita unir los anillos de los segmentos del propulsor manteniendo constante la circularidad. Además, mientras el útil sostiene la geometría circular de los segmentos, éstos se mueven horizontalmente a su posición. Una vez completado el ensamblaje, el útil (mediador) se retira (rechazo). Ver Figura 5.

De esta forma, se garantiza el correcto montaje y posición de los segmentos sin relajar las especificaciones originales de horquilla y espiga, logrando de ese modo el adecuado asentamiento y sellado de las juntas tóricas.  

Solución ensamblaje segmentos de los SRB

Figura 5. Solución ensamblaje horizontal de segmentos de los SRB. Fuente [3].

Conclusiones

Desafortunadamente, TRIZ no se conocía en los Estados Unidos en 1976, y no se abordaban los análisis de problemas con un enfoque global sistémico.

Como se ha visto, la toma de decisiones basada en una visión sesgada de la mejora de procesos conduce a soluciones de compromiso (juntas tóricas más grandes, calces, masilla de cromato de zinc) que no son más que “parches” que enmascaran el verdadero problema.

Se ha mostrado el potencial de TRIZ para identificar contradicciones y encontrar soluciones con el mayor grado de idealidad, es decir, aquellas que ofrecen el mayor valor al menor costo… y que, en este caso, podría haber evitado una tragedia.

Fuentes

  1. Informe de la Comisión Presidencial sobre el accidente del transbordador espacial Challenger (Comisión Rogers).
  2. E. Domb, H. W. Dettmer, “Breakthrough Innovation in Conflict Resolution”; Proceedings of the APICS Constraint Management Special Interest Group, EE.UU.; 1999.
  3. H. W. Dettmer, “Conflict and Complexity Problem: solving and logical thinking techniques could have saved NASA’s Challenger”; Quality Progress (ASQ), EE.UU.; 2008.
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