ISO 21347:2005
(Main)Space systems — Fracture and damage control
Space systems — Fracture and damage control
ISO 21347:2005 establishes general requirements for the application of fracture control technology to fracture critical items (FCIs) fabricated by metallic, non-metallic or composite materials. It also establishes mechanical damage control requirements for mechanical damage critical items (MDCIs) fabricated by composite materials. These requirements, when implemented on a particular space system, may assure a high level of confidence in achieving safe operation and mission success. The requirements set forth in ISO 21347:2005 are the minimum fracture control and mechanical damage control requirements for FCIs and MDCIs in general space systems, including launch vehicles and spacecraft. With necessary modifications, these requirements may also be applicable to reusable launch vehicles (RLVs). ISO 21347:2005 is not applicable to the NASA Space Shuttle and its payloads or the International Space Station and its equipment since they already have a set of specific requirements suitable for their special applications. ISO 21347:2005 is not applicable in processing detected defects.
Systèmes spatiaux — Maîtrise des fissurations et des dommages
L'ISO 21347:2005 définit des exigences générales pour appliquer la maîtrise des fissurations aux éléments critiques en fissuration (FCI) de fabrication métallique, non métallique ou composite. Elle définit également des exigences de maîtrise des dommages mécaniques pour des éléments critiques (MDCI) en matériaux composites. Ces exigences, une fois prises en compte sur un système spatial donné, peuvent assurer un haut degré de confiance en termes de sécurité de fonctionnement et de réussite de la mission. Les exigences exposées dans la présente Norme internationale sont les exigences minimales de maîtrise des fissurations et des dommages pour les FCI et MDCI dans les systèmes spatiaux généraux, y compris les lanceurs et les spationefs. Sous réserve des modifications qui s'imposent, ces exigences valent également pour les lanceurs réutilisables (RLV). La présente Norme internationale n'est applicable ni à la Navette et à ses charges utiles, ni à l'ISS et équipements associés, l'une et l'autre faisant l'objet d'exigences propres à leurs applications spécifiques. La présente Norme internationale n'est pas applicable au traitement des défauts détectés.
General Information
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21347
First edition
2005-05-01
Space systems — Fracture and damage
control
Systèmes spatiaux — Maîtrise des fissurations et des dommages
Reference number
ISO 21347:2005(E)
©
ISO 2005
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ISO 21347:2005(E)
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ISO 21347:2005(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and abbreviated terms .6
5 Fracture and mechanical damage control requirements.7
5.1 Fracture control requirements .7
5.2 Mechanical damage control requirements.10
5.3 Non-destructive evaluation (NDE).11
5.4 Other special requirements .12
Annex A (informative) Fracture control implementation guidelines.14
Annex B (informative) Guidelines for mechanical damage control of COPV.19
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ISO 21347:2005(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 21347 was prepared by Technical Committee ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee
SC 14, Space systems and operations.
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ISO 21347:2005(E)
Introduction
To prevent premature structural failure due to the propagation of cracks or crack-like defects during a
structure’s service life, fracture control policy is being imposed on space systems. These systems include civil
and military space vehicles, launch systems, and their related ground support equipment. For manned space
flight systems, most procurement agencies consider fracture control a mandatory human safety related
requirement. For example, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the European
Space Agency (ESA) require fracture control for all payloads using the NASA Space Shuttle (Shuttle) and all
equipment items installed on the International Space Station (ISS). These systems have established specific
fracture control requirements. These requirements are being implemented on all the payloads and equipment
items using the Shuttle and ISS.
Recently, many procurement agencies and range safety authorities have imposed fracture control
requirements on critical hardware items such as main propellant tanks of expendable launch vehicles (ELVs)
and high-pressure gas bottles used in unmanned spacecraft in order to prevent loss of life and/or launch site
facilities. Mechanical damage control is also being required by many range safety authorities on impact
damage prone composite-overwrapped pressure vessels (COPVs). This International Standard provides
uniform fracture and mechanical damage control requirements to the non-Shuttle and non-ISS hardware. It
can be applied to safety and mission critical structures and other hardware items.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 21347:2005(E)
Space systems — Fracture and damage control
1 Scope
This International Standard establishes general requirements for the application of fracture control technology
to fracture-critical items (FCIs) fabricated from metallic, non-metallic or composite materials. It also
establishes mechanical damage control requirements for mechanical-damage-critical items (MDCIs)
fabricated from composite materials. These requirements, when implemented on a particular space system,
can assure a high level of confidence in achieving safe operation and mission success.
The requirements set forth in this International Standard are the minimum fracture control and mechanical
damage control requirements for FCIs and MDCIs in general space systems, including launch vehicles and
spacecraft. With necessary modifications, these requirements may also be applicable to reusable launch
vehicles (RLVs). This International Standard is not applicable to the Shuttle and its payloads or the ISS and its
equipment, since they already have a set of specific requirements suitable for their special applications.
This International Standard is not applicable to processing detected defects.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 14623:2003, Space systems — Pressure vessels and pressurized structures — Design and operation
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
burst strength after impact
BAI
actual burst pressure of a pressure vessel after it has been subjected to an impact event
3.2
catastrophic hazard
potential risk situation that can result in loss of life, life-threatening or permanently disabling injury,
occupational illness, loss of an element of an interfacing manned flight system, loss of launch site facilities, or
long-term detriment to the environment
3.3
composite material
combination of materials which differ in composition or form on a macro scale
NOTE The constituents may retain their identities in the composite. Normally, the constituents can be physically
identified, and there is an interface between them. A bonded structure such as metallic honeycomb sandwich is not
considered as a composite structure in this International Standard.
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ISO 21347:2005(E)
3.4
composite-overwrapped pressure vessel
COPV
pressure vessel with a fibre-based composite system fully or partially encapsulating a liner
NOTE 1 The COPV containing a metallic liner is referred to as a metal-lined COPV while the COPV containing a
nonmetallic liner is referred to as a nonmetal-lined COPV.
NOTE 2 The liner serves as a fluid permeation barrier and may or may not carry substantial pressure and external
loads. The composite overwraps generally carry pressure and environmental loads.
3.5
critical flaw
specific shape of flaw with sufficient size such that unstable growth will occur under the specific operating load
and environment
3.6
critical hazard
potential risk situation that can result in temporarily disabling but not life-threatening injury, or temporary
occupational illness; loss of, or major damage to, flight systems, major flight system elements or ground
facilities; loss of, or major damage to, public or private property, or short-term detrimental environmental
effects
3.7
damage tolerance
ability of a material/structure to resist failure due to the presence of flaws for a specified period of unrepaired
usage
3.8
damage tolerance threshold strain level
strain level below which no crack or damage propagation will occur when subjected to expected load or
environmental conditions
3.9
design safety factor
design factor of safety
factor of safety
multiplying factor to be applied to the limit load and/or maximum expected operating pressure (MEOP), or
maximum design pressure (MDP), for the purpose of analytical assessment and/or test verification of
structural adequacy
EXAMPLE The design burst factor applied to the MEOP is the required design burst pressure for analysis or test.
3.10
fail-safe structure
structural item for which it can be shown by analysis or test that, as a result of structural redundancy, the
structure remaining after the failure of any element of the structural item can sustain the redistributed limit
loads with an ultimate safety factor of 1,0
NOTE It also can be shown that the structural item can withstand the fatigue loads for all the mission life for
multi-mission applications.
3.11
flaw
local discontinuity in a structural material
EXAMPLES Crack, delamination or debonding.
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ISO 21347:2005(E)
3.12
fracture control
application of design philosophy, analysis method, manufacturing technology, verification methodology, quality
assurance, and operating procedures to prevent premature structural failure caused by the propagation of
cracks or crack-like flaws during fabrication, testing, transportation, handling and service
3.13
fracture-limited life item
any hardware item that requires periodic re-inspection or replacement to comply with damage tolerance
requirements
3.14
fracture mechanics
engineering discipline that describes the behaviour of cracks or crack-like flaws in materials under stress
3.15
impact damage indicator
means for indicating the occurrence of an impact event
3.16
impact damage protector
physical device which can be used to prevent impact damage
3.17
initial flaw size
maximum flaw size, as defined by non-destructive evaluation (NDE), that is assumed to exist for the purpose
of performing a damage tolerance (safe-life) analysis or testing
3.18
leak-before-burst
LBB
design concept which shows that, at maximum expected operating pressure (MEOP), potentially critical flaws
will grow through the wall of a metallic pressurized hardware item or the metal liner of a composite-
overwrapped pressure vessel (COPV) and cause pressure-relieving leakage rather than burst or rupture
(catastrophic failure)
3.19
limit load
maximum expected external load or combination of loads that a structure can experience during the
performance of specified missions in specified environments
NOTE When a statistical estimate is applicable, the limit load is that load not expected to be exceeded at 99 %
probability with 90 % confidence.
3.20
maximum design pressure
MDP
highest pressure, as defined by maximum relief pressure, maximum regulator pressure and/or maximum
temperature, including transient pressures, at which a pressure vessel retains two-fault tolerance without
failure
3.21
maximum expected operating pressure
MEOP
highest differential pressure which a pressurized hardware item is expected to experience during its service
life and retain its functionality, in association with its applicable operating environments
3.22
mechanical damage
induced flaw in the composite hardware item that is caused by surface abrasions, cuts or impacts
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ISO 21347:2005(E)
3.23
mechanical damage control
use of mechanical damage protection and/or indication system and appropriate inspection procedure to
assure that no mechanical damage has been induced on a composite hardware item or if it has, the residual
strength of the item still meets the minimum design ultimate load/pressure requirements for the required life
3.24
metal-lined COPV
composite-overwrapped pressure vessel which has a metallic liner
3.25
non-destructive evaluation
non-destructive examination
NDE
process or procedure for determining the quality or characteristics of a material, part, or assembly without
permanently altering the subject or its properties
NOTE For the purposes of this International Standard, this term is synonymous with non-destructive inspection (NDI),
and non-destructive testing (NDT).
3.26
pressure vessel
container designed primarily for the storage of pressurized fluid, which fulfils at least one of the following
criteria:
a) contains gas or liquid with high energy level;
b) contains gas or liquid which will create a mishap (accident) if released;
c) contains gas or liquid with high pressure level
NOTE 1 Pressurized structures (3.27), pressure components and pressurized equipment including batteries, heat
pipes, cryostats, and sealed containers are excluded.
NOTE 2 Energy and pressure level are defined by each project, and approved by the procuring authority (customer); if
appropriate values are not defined by the project, the following levels are used:
stored energy is 19 310 J or greater based on adiabatic expansion of perfect gas; or
maximum expected operating pressure (MEOP) is 0,69 MPa or greater.
3.27
pressurized structure
structure designed to carry both internal pressure and vehicle loads
EXAMPLES Launch vehicle main propellant tanks, crew cabins and manned modules.
3.28
pressurized hardware
hardware items that contain primarily internal pressure
NOTE For the purposes of this International Standard, this term covers all pressure vessels and pressurized
structures (3.27).
3.29
proof factor
multiplying factor applied to the limit load or maximum expected operating pressure (or maximum design
pressure) to obtain proof load or proof pressure for use in the acceptance testing
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3.30
residual strength
maximum value of load and/or pressure (stress) that a cracked or damaged structural item is capable of
sustaining, considering appropriate environmental conditions
3.31
rotational machinery
device with a spinning part such as a fan and a rotor that has a high kinetic energy
EXAMPLES Control momentum gyroscopes and energy storage flywheels.
NOTE The energy level is defined by each project. If an appropriate value is not defined by the project, the value
2 2
taken is 19 310 J or greater, based on 0,5 Iω , where I is the moment of inertia (kg◊m ) and ω is the angular velocity
−1
(rad◊s ).
3.32
safe life
required period during which a metallic hardware item, even containing a large undetected crack, is shown by
analysis or testing not to fail catastrophically in the expected service load and environment
3.33
safe-life analysis
fracture mechanics-based analysis that predicts the flaw growth behaviour of a flawed hardware item which is
under service load spectrum
NOTE For the purposes of this International Standard, safe-life analysis is synonymous with damage tolerance
analysis.
3.34
safe-life test
test that determines experimentally the flaw growth behaviour of a flawed hardware item which is under
service load spectrum
NOTE For the purposes of this International Standard, safe-life test is synonymous with damage tolerance test.
3.35
service life
period of time (or cycles) that starts with item inspection after manufacturing and continues through all testing,
handling, storage, transportation, launch operations, orbital operations, refurbishment, re-entry or recovery
from orbit, and reuse that may be required or specified for the item
NOTE For a metal-lined COPV, the service life starts with the autofrettage process during manufacturing.
3.36
stress-corrosion cracking
mechanically and environmentally induced failure process in which sustained tensile stress and chemical
attack combine to initiate and propagate a crack or a crack-like flaw in a metal part
3.37
structural item
hardware item which is designed to sustain load and/or pressure or maintain alignment
EXAMPLES Spacecraft trusses, launch vehicle fairings, pressure vessels and pressurized structures; also fasteners,
instrument housing and support brackets.
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ISO 21347:2005(E)
3.38
ultimate load
product of the limit load and the design ultimate safety factor
NOTE It is the load which the structural item must withstand without rupture or collapse in the expected operating
environments.
3.39
visual damage threshold
VDT
impact energy level shown by a test or tests that creates an indication barely detectable by a trained inspector
using an unaided visual inspection technique
4 Symbols and abbreviated terms
For the purposes of this document, the following symbols and abbreviated terms apply.
a crack depth
c half crack length
BAI burst strength after impact
COPV composite overwrapped pressure vessel
DBF design burst factor
FCI fracture-critical item
Gr/Ep graphite /epoxy
ISS international space station
K plane stress fracture toughness
c
K plane strain fracture toughness
Ic
K stress intensity factor threshold for stress corrosion cracking
ISCC
K maximum stress intensity factor
max
LBB leak-before-burst
LEFM linear elastic fracture mechanics
MDCI mechanical-damage-critical item
MEOP maximum expected operating pressure
NDE non-destructive evaluation or examination
POD probability of detection
PTC part-through crack
T wall thickness
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ISO 21347:2005(E)
VDT visual damage threshold
∆K stress intensity factor range
∆K fatigue crack growth threshold
th
5 Fracture and mechanical damage control requirements
5.1 Fracture control requirements
5.1.1 General
A fracture control program shall be implemented for hardware items when structural failure due to the growth
of undetected flaws can result in a catastrophic or critical hazard. Structural items that can be verified as fail-
safe structures may be exempted from fracture control. Fail-safe demonstration requirements are specified in
5.4.1.
5.1.2 Fracture-critical item (FCI) classification
A hardware item is classified as an FCI if it is one or more of the following items:
a) pressure vessel;
b) pressurized structure which exhibits brittle (non-LBB) failure mode or which contains hazardous fluid;
c) uncontained rotational machinery which has a high kinetic energy;
d) composite or non-metallic structural item.
Other hardware items may be classified as an FCI if it is deemed necessary by the procuring authority for
mission success.
5.1.3 Fracture control plan
All FCIs shall be placed under fracture control following a fracture control plan. The plan shall provide detailed
hardware-specific fracture control methodologies and procedures for the prevention of catastrophic or critical
failures associated with the propagation of flaws during fabrication, testing, handling, transportation and
operational life. The plan shall identify organizational elements and their responsibilities for activities required
for the implementation of the fracture control plan. The plan shall also include the following data and
information:
a) description of each structural item that is classified as an FCI;
b) overall review and assessment of the fracture control activities and results;
c) information concerning non-FCIs that could cause catastrophic/critical hazard (e.g. fail-safe or contained
items).
Any change to the fracture control methodologies and procedures shall be incorporated into the revised
fracture control plan.
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ISO 21347:2005(E)
5.1.4 Damage tolerance requirements
5.1.4.1 General
An FCI shall be demonstrated to possess the ability to resist failure due to the presence of flaws during the
period of its entire service life multiplied by the required life factor. Unless otherwise specified, the life factor
shall be four (4). Damage tolerance demonstrations shall be performed on all FCIs by analysis or testing.
5.1.4.2 Damage tolerance (safe-life) analysis
Damage tolerance analysis (also referred to as safe-life analysis) based on linear elastic fracture mechanics
(LEFM) shall be conducted to demonstrate the damage tolerance capability of a metallic FCI stressed within
the elastic range. In a damage tolerance analysis, it shall assume that crack(s) exist at critical location(s) and
in the most unfavourable orientations with respect to the applied stresses and material properties. The most
critical location of the assumed crack shall be identified first. Stress-concentration and environmental effects
shall be considered during this process. In a case where the most critical location or orientation of the initial
crack is not obvious, the analysis shall consider a sufficient number of locations and orientations such that the
criticality of the item can be determined.
Unless otherwise specified, average values of fracture toughness (K or K ) and fatigue crack growth rate
Ic c
(da/dN) data associated with each alloy, temper, product form or process, and thermal and chemical
environments shall be used in the damage tolerance analysis. If proof test logic is used to establish the initial
crack sizes, an upper bound fracture toughness value shall be used in determining both the initial crack size
and the critical crack size at fracture. When the upper bound value is not available, a value that is 1,3 ¥
average K or K shall be used.
Ic c
A metallic FCI which experiences sustained stresses shall also show that the corresponding maximum stress
intensity factor (K ) during sustained load in service is less than the stress intensity threshold for stress
max
corrosion cracking (K ) data in the appropriate environment. Detrimental tensile residual stress shall be
ISCC
included in the analysis.
In the damage tolerance analysis, the flaw shape (a/2c) changes for part-through cracks (PTCs) (including
surface cracks or corner cracks) shall be accounted for. Retardation effects on crack growth rates from
variable amplitude loading shall not be considered without the approval of the procuring authority.
The results of damage tolerance analysis shall be documented in a report that contains the following at a
minimum:
a) description of the item with identification of material (alloy and temper), grain direction, and a sketch
showing the size, location and direction of all assumed cracks; and
b) description of the analysis performed, including
reference to the stress report, if it is separated from the damage tolerance analysis report;
description of loading/environment spectrum and how it has been derived;
material data and how they have been derived;
stress intensity factor solutions and how they have been derived;
initial crack sizes and NDE method(s) used;
analytical-life and critical crack size; and
summary of significant results.
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For composite FCIs, damage tolerance analysis is only acceptable when the methodology used to conduct the
analysis is supported by test evidence. The use of damage tolerance analysis for damage tolerance
demonstration needs to be approved by the procuring authority.
5.1.4.3 Damage tolerance (safe-life) test
The damage tolerance (safe-life) test is an acceptable option for performing the required damage tolerance
demonstration for metallic FCIs. It shall be conducted on flight-like elements of the FCI, with the controlled
crack(s) prefabricated at the critical location(s). Coupons shall only be allowed when the stress field is well
defined and material properties are representative of that of the flight hardware. The size and shape of
crack(s) shall correspond to the detection capability of the NDE to be imposed on the flight hardware. A
successful damage tolerance test for a metallic FCI is one in which, after the application of four (4)
service-life load spectra, the hardware item may still perform its designed function.
For composite FCIs, damage tolerance testing shall be conducted only on flight-like elements of the
composite FCI, with controlled flaws (such as delaminations). Their initial sizes shall be based on the
resolution of the NDE to be imposed on the flight part. The type of flaws considered shall be representative of
those that could occur on the flight part. A successful damage tolerance test for a composite FCI is one in
which, after the application of four (4) service-life load spectra, there is no measurable growth of the
prefabricated flaws in the critical locations. If there is measurable growth, assessment for accept/reject shall
be performed on a case-by-case basis. The residual strength of the composite FCI shall not be degraded
below its ultimate load.
A test report that documents the damage tolerance test shall be prepared with the following information:
a) test specimen configuration and initial crack size/shape;
b) test equipment and test set-up;
c) test load spectrum and corresponding environmental condition;
d) crack size measurements;
e) test results; and
f) conclusions.
5.1.4.4 Service-life load (pressure) spectrum
All events experienced by the FCI in its service life shall be considered in the development of the service-life
load (pressure) spectrum to be used in the crack growth damage tolerance (safe-life) analysis or test. The
service-life load (pressure) spectrum shall be clearly defined, in order to identify all cyclic and sustained load
events. The following events shall be considered as appropriate (if they are after relevant NDE):
a) manufacturing/assembly;
b) acceptance tests (e.g. proof testing, vibration testing);
c) handling, e.g. by a dolly or a hoist;
d) transportation by land, sea, or air;
e) lift-off and ascent;
f) stay in orbit (for spacecraft);
g) descent (for reusable systems);
h) landing (for reusable systems).
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ISO 21347:2005(E)
The most unfavourable expected load/pressure values and their combinations shall be taken into account for
load/pressure spectrum development.
5.1.4.5 Stress spectrum
For the critical locations where flaws are assumed to exist, stresses including loads, pressure and
temperature shall be generated in three orthogonal directions. For pressure vessels, both primary membrane
and secondary bending stresses resulting from internal pressure shall be calculated to account for the effects
of geometric discontinuities. Where applicable, rotational accelerations shall be considered in addition to linear
accelerations. Residual stress
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21347
Première édition
2005-05-01
Systèmes spatiaux — Maîtrise des
fissurations et des dommages
Space systems — Fracture and damage control
Numéro de référence
ISO 21347:2005(F)
©
ISO 2005
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ISO 21347:2005(F)
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ii © ISO 2005 – Tous droits réservés
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ISO 21347:2005(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions. 1
4 Symboles et termes abrégés . 6
5 Exigences pour la maîtrise des fissurations et des dommages mécaniques . 7
5.1 Exigences pour la maîtrise des fissurations. 7
5.2 Exigences pour la maîtrise des dommages mécaniques . 10
5.3 Évaluation non destructive (NDE) . 12
5.4 Autres exigences particulières. 12
Annexe A (informative) Instructions pour la mise en œuvre de la maîtrise des fissurations . 14
Annexe B (informative) Instructions pour la maîtrise des dommages mécaniques sur COPV. 19
© ISO 2005 – Tous droits réservés iii
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ISO 21347:2005(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 21347 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 20, Aéronautique et espace, sous-comité SC 14,
Systèmes spatiaux, développement et mise en œuvre.
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ISO 21347:2005(F)
Introduction
Pour prévenir une défaillance structurale prématurée due à la propagation de criques ou défauts assimilés, au
cours de la vie en service d'une structure, une politique de maîtrise des fissurations s'impose pour les
systèmes spatiaux. Ceux-ci comprennent des véhicules civils et militaires, des lanceurs, ainsi que leurs
matériels associés de soutien au sol. Pour les systèmes de vol spatial habités, la plupart des donneurs
d'ordre considèrent comme impérative pour la sécurité humaine la maîtrise des fissurations. C'est le cas de la
NASA (National Aeronautics and Space Administration) et de l'ESA (European Space Agency), qui exigent la
maîtrise des fissurations pour les charges utiles emportées par la navette spatiale de la NASA («la Navette»)
et les équipements installés dans la station spatiale internationale («l'ISS»). Elles ont défini des exigences de
maîtrise des fissurations spécifiques à ces systèmes, en cours d'application sur toutes les charges utiles et
tous les équipements utilisant la Navette et l'ISS.
Récemment, pour prévenir les pertes humaines et/ou d'installations sur les sites de lancement, nombre
d'agences et d'autorités de sécurité sur sites ont imposé à des matériels critiques, tels que réservoirs de
propergol principaux de lanceurs consommables (ELV) ou bouteilles de gaz haute pression des satellites non
habités, des exigences de maîtrise des fissurations. À l'heure actuelle, de nombreuses autorités de sécurité
sur sites imposent également la maîtrise des dommages mécaniques à des réservoirs sous pression à
surbobinage composite (COPV) réputés sujets à dommages par impact. La présente Norme internationale
spécifie des exigences uniformes de maîtrise des fissurations et dommages mécaniques pour les matériels
non Navette et non ISS. Elle peut être appliquée aux structures et autres matériels critiques pour la sécurité
ou la mission.
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NORME INTERNATIONALE ISO 21347:2005(F)
Systèmes spatiaux — Maîtrise des fissurations et des
dommages
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale définit des exigences générales pour appliquer la maîtrise des fissurations
aux éléments critiques en fissuration (FCI) de fabrication métallique, non métallique ou composite. Elle définit
également des exigences de maîtrise des dommages mécaniques pour des éléments critiques (MDCI) en
matériaux composites. Ces exigences, une fois prises en compte sur un système spatial donné, peuvent
assurer un haut degré de confiance en termes de sécurité en utilisation et de réussite de la mission.
Les exigences exposées dans la présente Norme internationale sont les exigences minimales de maîtrise des
fissurations et des dommages pour les FCI et MDCI dans les systèmes spatiaux généraux, y compris les
lanceurs et les spationefs. Sous réserve des modifications qui s'imposent, ces exigences valent également
pour les lanceurs réutilisables (RLV). La présente Norme internationale n'est applicable ni à la Navette et à
ses charges utiles, ni à l'ISS ni aux équipements associés, l'une et l'autre faisant l'objet d'exigences propres à
leurs applications spécifiques.
La présente Norme internationale n'est pas applicable au traitement des défauts détectés.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 14623-2003, Systèmes spatiaux — Réservoirs et structures sous pression — Conception et
fonctionnement
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
résistance à l'éclatement après impact
BAI
pression d'éclatement effective d'un réservoir sous pression, après qu'il a subi un impact
3.2
risque catastrophique
situation de risque potentiel pouvant conduire à perte humaine, blessure mettant la vie en danger ou
conduisant à une invalidité permanente, maladie professionnelle, perte d'un élément d'un système de vol
habité en interface, perte d'installations du site de lancement, ou atteinte à long terme à l'environnement
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3.3
matériau composite
combinaison de matériaux de composition ou de forme différente à l'échelle macroscopique
NOTE Les constituants peuvent conserver leurs identités au sein du composite. En principe, il est possible d'identifier
les constituants physiquement et ils ont entre eux une interface. Dans ce document, une structure collée telle que
panneau sandwich en nid d'abeilles métallique n'est pas considérée comme une structure composite.
3.4
réservoir sous pression à surbobinage composite
COPV
réservoir sous pression présentant un système composite à base de fibres qui englobe partiellement ou
totalement un liner
NOTE 1 Le COPV contenant un liner métallique est appelé COPV muni d'un liner métallique, alors que le COPV
contenant un liner non métallique est appelé COPV muni d'un liner non métallique.
NOTE 2 Le liner sert de barrière d'étanchéité aux fluides et peut, ou ne peut pas, supporter des charges de pression
substantielles. Le surbobinage composite supporte généralement les pressions ou les charges environnementales.
3.5
crique critique
forme précise de crique, suffisamment grande pour qu'une propagation instable se produise en fonction d'une
charge et d'un environnement précis
3.6
risque critique
situation de risque potentiel pouvant amener une invalidité temporaire par blessure sans danger vital, une
maladie professionnelle temporaire, la perte ou l'endommagement majeur de systèmes de vol, de leurs
éléments majeurs ou installations au sol, ou de biens publics ou privés, ou encore des atteintes à court terme
à l'environnement
3.7
tolérance aux dommages
capacité d'un matériau ou d'une structure à résister à une défaillance causée par des défauts, pendant une
période précise d'utilisation sans réparation
3.8
seuil de déformation en tolérance aux dommages
niveau de déformation en dessous duquel aucune crique ou aucun dommage ne va se propager dans les
conditions de charge ou les conditions environnementales prévues
3.9
facteur de sécurité de calcul
facteur de sécurité
facteur multiplicatif à appliquer à la charge limite et/ou à la MEOP (ou MDP) pour l'évaluation analytique et/ou
la vérification par essais de la conformité structurale
EXEMPLE Le facteur de sécurité à l'éclatement appliqué à la MEOP est la pression d'éclatement requise pour
l'analyse ou l'essai.
3.10
structure à sécurité intégrée
élément structural pour lequel on peut démontrer, par analyse ou essai, qu'en raison de la redondance
structurale, la structure subsistant après défaillance de l'un quelconque des constituants de l'élément peut
résister aux charges limites redistribuées avec un facteur de sécurité extrême égal à 1,0
NOTE Il est également possible de démontrer que l'élément structural peut résister aux charges de fatigue pendant
toute la durée de la mission dans le cadre des applications multimissions.
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3.11
défaut
discontinuité locale dans un matériau structural
EXEMPLES Crique, délaminage ou décollement.
3.12
maîtrise des fissurations
utilisation d'une philosophie de conception, d'une méthode d'analyse, d'une méthodologie de fabrication,
d'une méthodologie de vérification, d'une assurance de la qualité, et de procédures d'utilisation visant à
prévenir les défaillances structurales prématurées causées par la propagation de criques, ou de défauts
assimilés à des criques, pendant les étapes de fabrication, d'essai, de transport, de manutention et
d'utilisation
3.13
élément à vie limitée en fissuration
tout matériel nécessitant réinspection ou remplacement périodique pour satisfaire aux exigences de tolérance
aux dommages
3.14
mécanique de la rupture
discipline d'ingénierie qui décrit l'évolution des criques ou défauts assimilés à des criques dans les matériaux
sous contrainte
3.15
détecteur de dommages d'impact
dispositif signalant la survenue d'un événement de type impact
3.16
protecteur des dommages par impact
dispositif physique pouvant être utilisé afin de prévenir les dommages par impact
3.17
taille initiale de défaut
taille maximale de défaut, définie par évaluation non destructive (NDE), prise comme hypothèse initiale pour
analyse ou essais de tolérance aux dommages (durée de vie assurée)
3.18
fuite avant éclatement
LBB
principe de conception qui démontre qu'à la MEOP, les défauts critiques potentiels vont traverser la paroi d'un
matériel métallique sous pression ou le liner métallique d'un COPV et engendrer des fuites significatives
réductrices de pression, sans éclatement ou rupture (défaillance catastrophique)
3.19
charge limite
charge ou ensemble de charges les plus grandes prévues qu'une structure peut subir au cours de la
réalisation de missions spécifiées dans des environnements spécifiés
NOTE Dans les cas où une estimation statistique est applicable, la charge limite est la charge dont la probabilité de
non-dépassement est égale à 99 % avec un taux de confiance de 90 %.
3.20
pression maximale de calcul
MDP
pression la plus élevée définie par la pression maximale de décharge, la pression maximale de régulateur
et/ou la température maximale, y compris les pressions transitoires, auxquelles un réservoir sous pression
retient deux tolérances de panne sans défaillance
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3.21
pression maximale prévue en utilisation
MEOP
plus forte pression différentielle à laquelle il est prévu qu'un matériel sous pression sera soumis pendant sa
durée de vie utile, tout en conservant sa fonctionnalité, compte tenu de ses environnements en utilisation
3.22
dommages mécaniques
défauts induits dans un matériel composite, causés par abrasions de surface, coupures ou impacts
3.23
maîtrise des dommages mécaniques
utilisation d'un système de protection contre les dommages mécaniques et/ou d'un système de détection de
dommages mécaniques, ainsi que d'une procédure d'inspection pour assurer l'absence de dommages
mécaniques sur un matériel composite ou, en cas de présence de tels dommages, assurer une résistance
résiduelle répondant aux exigences minimales de charge/pression extrême de calcul pour la durée vie requise
3.24
COPV à liner métallique
COPV muni d'un liner métallique
3.25
évaluation non destructive
examen non destructif
NDE
procédé ou procédure visant à déterminer la qualité ou les caractéristiques d'un matériau, d'une pièce ou d'un
ensemble sans en modifier de façon permanente la finalité ou les propriétés
NOTE Dans le présent document, ce terme est synonyme de contrôle non destructif (NDI) et d'essai non destructif
(NDT).
3.26
réservoir sous pression
récipient conçu principalement pour le stockage de fluides sous pression, et qui est conforme à l'un des
critères suivants:
a) renferme un gaz ou un liquide à un niveau d'énergie élevé;
b) renferme un gaz ou un liquide qui provoquerait un accident, à l'état libre;
c) renferme un gaz ou un liquide à niveau de pression élevé.
NOTE 1 Cette définition exclut les structures sous pression (3.27), les composants sous pression et les pièces
d'équipement sous pression, y compris batteries, tuyaux de chauffage, cryostats, et récipients scellés.
NOTE 2 Les niveaux d'énergie et de pression sont déterminés par chaque projet, et sont approuvés par les donneurs
d'ordre (clients); lorsque les valeurs ne sont pas définies par le projet, on utilise les valeurs suivantes:
énergie emmagasinée de 19 310 J ou davantage, calculée selon la détente adiabatique du gaz parfait;
MEOP supérieure ou égale à 0,69 MPa.
3.27
structure sous pression
structure destinée à la fois à subir une pression interne et à supporter des charges de véhicules
EXEMPLES Réservoirs de propergol principaux d'un lanceur, cabines d'équipage et modules habités.
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3.28
matériels sous pression
matériels métalliques qui sont soumis principalement à une pression interne
NOTE Dans le présent document ces termes se réfèrent à tous les réservoirs sous pression et à toutes les
structures sous pression (3.27).
3.29
facteur d'épreuve
facteur multiplicatif appliqué à la charge limite ou à la MEOP (ou MDP) afin d'obtenir la charge d'épreuve ou la
pression d'épreuve à utiliser pour l'essai d'acceptation
3.30
résistance résiduelle
valeur maximale de la charge et/ou de la pression (contrainte) que peut supporter un élément structural
fissuré ou endommagé, en tenant compte de conditions d'environnement appropriées
3.31
machine rotative
dispositif intégrant une partie tournante tel que ventilateur ou rotor, dont l'énergie cinétique est élevée
EXEMPLES Gyroscopes inertiels de commande d'orientation et accumulateurs cinétiques.
NOTE Le niveau d'énergie est défini par chaque projet. À défaut de valeur appropriée dans le projet, la valeur
2 2
applicable est de 19 310 J ou plus, selon la formule 0,5 Iω , où I représente le moment d'inertie (kg◊m ) et ω la vitesse
−1
angulaire (rad◊s ).
3.32
vie sûre
durée de vie sûre
période exigée pendant laquelle un matériel métallique, même possédant une grande crique non décelée, est
démontré, par analyse et essais, capable de supporter les charges et l'environnement prévus en utilisation
sans défaillance catastrophique
3.33
analyse de durée de vie sûre
analyse basée sur la mécanique de la rupture et prédisant la propagation des défauts présents dans un
matériel soumis au spectre de charges en service
NOTE Dans le présent document, analyse de durée de vie assurée est synonyme d'analyse de tolérance aux
dommages.
3.34
essai de durée de vie sûre
essai déterminant de façon expérimentale la propagation des défauts dans un matériel défectueux soumis au
spectre de charges en service
NOTE Dans le présent document, essai de durée de vie assurée est synonyme d'essai de tolérance aux dommages.
3.35
durée de vie utile
période (ou nombre de cycles) qui débute avec le contrôle de l'élément après fabrication et se poursuit à
travers l'ensemble des opérations requises ou spécifiées pour l'élément: essais, manutention, stockage,
transport, lancement, opérations orbitales, remise en état, rentrée ou récupération depuis l'orbite, et
réutilisation
NOTE Pour un COPV à liner métallique, la vie en service débute par le processus d'autofrettage en fabrication.
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3.36
fissuration par corrosion sous contrainte
processus de défaillance induit mécaniquement et par l'environnement dans lequel une contrainte de traction
soutenue et une attaque chimique se combinent pour initier et propager une crique ou défaut assimilé à une
crique dans une pièce métallique
3.37
élément structural
matériel conçu pour résister à la charge et/ou à la pression, ou pour maintenir l'alignement
EXEMPLES Armatures de satellites, carénages de lanceurs, réservoirs sous pression et structures pressurisées.
Fixations, logements d'instruments et supports sont aussi des éléments structuraux.
3.38
charge extrême
produit de la charge limite et du facteur extrême de sécurité de calcul
NOTE C'est la charge que doit supporter sans rupture ni effondrement l'élément structural dans les environnements
d'utilisation prévus.
3.39
seuil de dommages visuels
VDT
niveau d'énergie d'impact démontré par un essai ou des essais et qui crée une indication à peine décelable
par un inspecteur entraîné utilisant une technique d'inspection visuelle, sans assistance
4 Symboles et termes abrégés
Pour les besoins du présent document, les symboles et termes abrégés suivants s'appliquent.
a profondeur de crique
c demi-longueur de crique
BAI résistance à l'éclatement après impact
COPV réservoir sous pression à surbobinage composite
DBF facteur de sécurité à l'éclatement
FCI élément critique en fissuration
Gr/Ep graphite/époxy
ISS station spatiale internationale
K ténacité en contrainte plane
c
K ténacité en déformation plane
Ic
K facteur d'intensité de contrainte au seuil de fissuration par corrosion sous contrainte
ISCC
K facteur d'intensité de contrainte maximale
max
LBB fuite avant éclatement
LEFM mécanique linéaire élastique de la rupture
MDCI élément critique pour les dommages mécaniques
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MEOP pression maximale prévue en utilisation
NDE évaluation ou examen non destructif
POD probabilité de détection
PTC crique non traversante
T épaisseur de paroi
VDT seuil de dommages visuels
∆K amplitude du facteur d'intensité de contrainte
∆K seuil de propagation des criques en fatigue
th
5 Exigences pour la maîtrise des fissurations et des dommages mécaniques
5.1 Exigences pour la maîtrise des fissurations
5.1.1 Généralités
Doivent être soumis à un programme de maîtrise des fissurations les matériels dont une défaillance
structurale par propagation de défauts non détectés peut conduire à un risque catastrophique ou critique. S'il
est possible de démontrer qu'un élément structural constitue une structure à sécurité intégrée, on peut se
dispenser de maîtrise des fissurations pour cet élément. Les exigences pour démontrer la sécurité intégrée
sont spécifiées en 5.4.1.
5.1.2 Classification des éléments critiques en fissuration (FCI)
Un élément structural est classé FCI s'il relève d'au moins un des cas suivants:
a) réservoir sous pression;
b) structure sous pression avec mode de rupture fragile (non LBB) ou contenant des fluides dangereux;
c) machine rotative non contenue à énergie cinétique élevée;
d) élément structural composite ou non métallique.
D'autres matériels peuvent être classés FCI si le donneur d'ordres l'estime nécessaire pour le succès de la
mission.
5.1.3 Plan de maîtrise des fissurations
Tous les FCI doivent être soumis à maîtrise des fissurations suivant un plan de maîtrise des fissurations. Ce
plan doit prévoir en détail les méthodologies et procédures de maîtrise des fissurations spécifiques au
matériel pour la prévention des défaillances catastrophiques ou critiques par propagation de défauts en
fabrication, essais, manutentions, transport et vie opérationnelle. Ce plan doit identifier les organisations et
leurs responsabilités dans les activités nécessaires à sa mise en œuvre. Il doit aussi intégrer les données et
informations suivantes:
a) description de chacun des éléments structuraux classés FCI;
b) revue et évaluation globales des activités de maîtrise des fissurations et de leur résultats ;
c) informations relatives aux éléments non FCI susceptibles d'exposer à des risques catastrophiques ou
critiques (par exemple: éléments à sécurité intégrée ou éléments contenus).
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Toute modification de méthodologies et procédures de maîtrise des fissurations doit être incorporée dans le
plan de maîtrise des fissurations révisé.
5.1.4 Exigences de tolérance aux dommages
5.1.4.1 Généralités
Tout FCI doit être démontré capable de résister à toute défaillance due à la présence de défauts pendant
toute sa durée de vie utile multipliée par le facteur de vie nécessaire. Sauf spécification contraire, ce facteur
de vie doit être de quatre (4). La tolérance aux dommages doit être démontrée pour tous les FCI soit par
analyse, soit par essai.
5.1.4.2 Analyse de tolérance aux dommages (analyse de durée de vie assurée)
On doit effectuer une analyse de tolérance aux dommages (ou analyse de durée de vie assurée) basée sur la
mécanique des fissurations élastiques linéaires (LEFM) pour démontrer la tolérance aux dommages d'un FCI
métallique sous contrainte dans la zone d'élasticité. Lors d'une analyse de tolérance aux dommages (analyse
de durée de vie assurée), on doit admettre l'existence de crique(s) aux points critiques et selon les
orientations les plus défavorables compte tenu des contraintes appliquées et des propriétés du matériau. On
doit identifier d'abord le lieu le plus critique pour la crique en cause. On doit considérer à cet effet les effets de
concentration de la contrainte et de l'environnement. Si les conditions les plus critiques de lieu ou d'orientation
de crique initiale ne sont pas évidentes, on doit effectuer l'analyse avec un nombre d'orientations et
d'emplacements suffisant pour définir la criticité de l'élément.
Sauf spécification contraire, on doit utiliser pour l'analyse de tolérance aux dommages (analyse de durée de
vie assurée) des valeurs moyennes de ténacité (K ou K ) et taux de propagation de criques (da/dN) pour
Ic c
chaque alliage, traitement, forme de produit ou procédé et d'environnement thermique ou chimique. Si on
s'appuie sur une logique d'essai d'épreuve pour déterminer la taille de la crique initiale, on doit utiliser une
limite supérieure de ténacité pour déterminer les tailles de crique tant initiale que critique. À défaut de limite
supérieure, prendre 1,3 × K , ou K moyenne.
Ic c
Pour un FCI métallique soumis à contraintes prolongées, on doit aussi démontrer que le facteur d'intensité de
contrainte maximale correspondant (K ) pour une charge prolongée en service est inférieur au facteur
max
d'intensité de contrainte au seuil de fissuration par corrosion sous contrainte (K ) dans l'environnement
ISCC
approprié. L'analyse doit prendre en compte une contrainte résiduelle de traction défavorable.
On doit prendre en compte dans l'analyse de tolérance aux dommages (analyse de durée de vie assurée) les
modifications de forme (a/2c) de criques non traversantes (PTC) (criques superficielles ou d'angles
comprises). Sauf accord du donneur d'ordre, on ne doit pas considérer d'effets retardateurs de la propagation
des criques dus à des variations de charge.
Les résultats de l'analyse de la tolérance aux dommages (analyse de durée de vie assurée) doivent être
documentés dans un rapport comportant au minimum les informations suivantes:
a) description de l'élément avec identification du matériau (alliage ou traitement), sens du grain et dessin
indiquant la taille, l'emplacement et l'orientation de toutes les criques présumées;
b) description de l'analyse effectuée, avec
référence au rapport de contrainte, si distinct du rapport d'analyse de tolérance aux dommages,
description du spectre de charge / environnement et comment il a été déterminé,
données sur le matériau et comment elles ont été déterminées,
facteurs d'intensité de contrainte possible et comment ils ont été déterminés,
taille de la crique initiale et méthode(s) NDE utilisée(s),
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vie analytique et taille de la crique critique, et
résumé des principaux résultats.
Dans le cas des FCI composites, l'analyse de la tolérance aux dommages n'est acceptable que lorsque la
méthodologie utilisée pour cette analyse est appuyée par des essais. Le recours à cette analyse pour
démontrer la tolérance aux dommages doit être approuvé par le donneur d'ordres.
5.1.4.3 Essai de tolérance aux dommages (essai de durée de vie assurée)
L'essai de tolérance aux dommages (essai de durée de vie assurée) est une option acceptable pour
démontrer l'exigence de tolérance aux dommages des FCI métalliques. Il doit être effectué sur des éléments
identiques au FCI, avec crique(s) de taille contrôlée préfabriquée(s) au(x) point(s) critique(s). L'emploi
d'éprouvettes n'est admis que si le c
...
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