工程中最昂贵的数字

通过我的估计，在航天飞机上的单一数字造成15亿美元。几乎更令人惊叹的是它代表的，而且它是如何成为的。但是对于所有重要性和阴谋，数字本身都有一个令人无法解读的名称 - 安全因素。

通过工程学校和我的职业生涯的开始，我没有考虑安全的大部分因素。教科书定义很简单 - 它是突破力除以预期的力量。因此，如果您正在制作一个具有2级的椅子，您将设计它以承受两倍的体重。换句话说，安全因素是结构的实力“保留保留以确保其安全性能”。 1

在日常工作作为机械工程师，这就是您需要知道的一切。例如，如果您正在设计飞机翼，负载工程师将告诉您翼应经验的强制，美国联邦航空局会告诉您使用1.5的安全为1.5系列。你可以插上和追求，擅长你的工作。

但在某些时候，安全因子开始讨厌我。作为笑话，工程师是计算五个小数点的人，然后乘以两个。如果我们刚刚在其上拍打大量因素，为什么要打扰所有详细的工程工作？

有关某种程度的观点，它是在维尔京银河的一个因素，我花了几个月和几个月，为重新设计的宇宙飞船III进行了水平稳定器，并帮助下降了20％的重量。这只是一个宇宙飞船。相比之下，飞机的因素是1.5。所以他们更强壮50％ - 我推理了50％，比他们需要更重。并且一个数字适用于整个车辆。为什么不只是减少因素？

在这里快速;事实证明，随着安全为重量，重量没有1：1的关系。根据NASA纸，关系更接近（安全的1 /因素）^ .604。 2如果我还告诉你航天器的安全因素是1.4,3，3个航天飞机的重量为165,000磅，班车上的重量拆除为50,000美元/磅，4你可以看到我的方式第一个句子中的15亿美元估计。

回答原始问题 - 为什么不仅减少因素？ - 我需要了解我们为什么首先使用一个因素。我依然认为，安全因素是为了考虑理论飞机和真实的差异，但它究竟代表了什么？事实证明这不是一个简单的回答。

安全因素开始于1800年代中期正式化桥梁建筑，其中最高为6的因素用于覆盖早期铸铁质量的大规模不一致。 5因此，在最早的定义中，安全因子仅旨在解决理论，完美的材料和不完美现实之间的差异。

在过去的150年里，安全因子的定义发生了变化。我想这不是令人惊讶的。

但是，奇怪的是现代文学似乎无法达成一致的定义。例如，NASA文档明确地说，安全因素仅涵盖＃1和制造公差，并且不覆盖＃2 - ＃5。 7.

这个数字如何，成本数十亿美元没有明确和普遍接受的定义？那是坚果！我们应该信任哪种定义？

广泛地，我们可以将可能的安全系数分成：（1）简化和（2）不知情。

简化可以包括制造公差（您永远不会完全按照设计的内容）或我们完美地建模飞机的能力。每个模型都是减少现实;除非您可以模拟每个原子，否则您必须进行一些简化。不可知可能包括一个怪胎的风暴，负载飞机是一种意想不到的方式或飞行员，制作一系列不可预测的决策。

现在考虑到NASA在1996年至2014年间航天器的安全因素没有变化，自20世纪30年代以来，飞机的1.5个因素已经存在。 8这意味着如果简化是安全因素的一部分，我们的建模和预测现实的能力也没有改变（改进），我们的工程知识已经停滞不前。

我很确定这不是真的。至少，现实模型自1930年以来已经得到了更复杂，尤其是基于计算机的模型。因此，暂定假设是安全因素仅涵盖不可知的内容，令人恐慌事故的可能性与以往一样。

为了确认这个想法，我转向了1.5因素的历史。我认为航空航天是探索的最佳领域，因为它最多来自减肥;安全性因子将严重检查每个角度。

即使在所有审查中，它的起源也尚不清楚。 1900年，威尔堡赖特写信给他的父亲，“我正在建造我的机器，以维持大约五倍的体重，并在每件作品测试。我认为它没有可能在空中突破。“ 9如果威尔堡不只是撒谎让他爸爸降下，赖特兄弟的安全因素是5.到20世纪20年代初，它降至2，但这并没有标准化。 10.

合理化的第一次努力来自20世纪30年代初的军队，海军和民间航空管理局的共同努力。它来自那个集团，1.5被出现为安全的安全因素，这是向前推进的。 11他们是如何得出结论的？合理化是，“飞机飞往三分之二，而且更多的最终负荷因子，结构上没有任何事情;因此，思考较低的安全因素的演变是一种自然的。“ 12.

基本上，飞行员飞过极限，但没有人死亡，所以限制改变了。要回到椅子类比，就好像你设计了椅子，以支持你的体重2倍，但在制造椅子的同时，通过饮食大量的甜甜圈孔，您可以获得50％的体重。当你在1.5倍的预期重量时，坐在椅子上，没有发生任何糟糕的事情，所以你感到舒服地减少了你的安全系数。

换句话说，1.5因素是经验开发的。一个词 - 经验 - 帮助我了解定义周围的混乱以及为什么它保持不变。你可以争辩，直到你的蓝色脸上是安全因素，只涵盖了不可知并没有涵盖简化。但事情的真相是，额外的利润是在那里，即使你没有打算它，它也可以很好地涵盖有或没有知道的简化。

安全因子的定义几乎无关紧要。您可以看到为什么Je Gordon称为它的“无知因素”13，国防部已将其重命名为“不确定性因素”。 14.

并且减少安全因子的唯一方法是承担更多风险。它与任何其他经验知识没有什么不同。你的祖母警告你不要吃一些美味的浆果，因为她的祖母告诉她，她的堂兄在吃茶杯后死亡。你怀疑你的伟大堂兄因其他东西而死，浆果是巧合。您只有一个选择确认您的怀疑 - 您可以吃浆果。要么你得知它们是无害的还是你死了。

任何减少1.5因素的尝试都是一个类似的阶跃，进入风险化未知。在我的阅读中，我发现这是最好的情况摘要：

“1.5因素是理性的，因为它是基于被认为是设计的代表性比例，以便在20世纪20年代和20世纪20年代和19世纪30年代经历的操作机动负载因子（今天没有明显改变）并且是任意的，因为我们仍然不知道精确的设计，制造和操作复杂性和变化，它可以保护或如何量化它们。 1.5因素提供的飞行方式的程度也不是量化，但它的成功历史不能轻易被解雇。“ 15.

我们是如何为航天器获得1.4的？谁决定重量储蓄的风险值得？

显然，减少到1.4是一辆以某种方式被某种方式吸收和建立为所有航天器的标准的一次性决定。 16也许到工程界，看起来有人品尝了禁浆果并幸存下来。贝瑞 - 贝瑞斯的X-20 Dyna-Soar（什么是一个伟大的名字）。实际上，X-20的载人部分被设计为通常的1.5因素。它只是设计为减少1.4因素的可分离助推器。即便如此，施加了额外的因素。因素的组合来自一个实验室研究，该研究专注于增加助推器特定用例和材料的结构效率。 17随着时间的推移，第二个因素和决定的上下文掉落，只有1.4因素仍然存在。

这整件事似乎似乎荒谬，但工程是一个与其他任何怪癖一样的人类努力。其中一个怪癖是关系 - 有时候和谐，有时候不是 - 经验和理论知识之间。对我来说，感觉像工程的平衡一样朝着理论上倾斜。虽然可以理解的是，随着危险的生活，工程的变化会发生非常缓慢。

自20世纪40年代以来，对安全因素的非经验替代方案已经存在，但仍然没有广泛的采用。我认为下面的图像描述了概念，称为概率设计，最好。

从本质上讲，您可以收集您认为可能影响您结构的所有投入。然后，而不是确定该输入的单个数字，而不是为其分配概率函数。而不是说椅子将经历150磅的力量，而是椅子将在100到200英镑的任何地方经历，它有10％的几率为100磅，50％的机会为150磅等。该概率函数需要数据 - 您可能会查找人民权重或调查您的朋友的统计数据。

一旦确定了所有输入的概率函数，就会将其冷凝成两个功能。一个描述工作中的力量的一个，并且描述了结构强度的力量。它们重叠的图的一部分是力量可能超过强度的地方，并且您的结构可能会破裂。可以测量重叠，以提供公司的数量 - 失败的可能性。

这是两种方法之间的最大区别。概率设计承认，即使它是无限的，也存在失败的可能性。安全系数更为黑色和白色。清除某个酒吧，您的结构被视为安全，无需资格或细微差别。当然，没有任何零失败的机会。

概率设计还允许您测量对安全变化的影响。如果您收紧其制造公差或禁止您的朋友票据，您可以确定您的椅子是否有多少更安全。在翻盖方面，它也需要更多的信息。必须有良好的数据或结果将是随意作为安全因素，没有几十年的经验。

一个更大的问题，而我认为已经阻止了更广泛采用的问题，是概率设计不考虑Fluke事件 - 不可知的物品。如果您不知道可能发生了什么，显然您显然无法分配该事件概率。

理想的方法可能是一个混合动力。概率设计可能负责覆盖简化，并且减少的安全因子可以涵盖不知情。当然，没有简单的方法来确定当前因素的涵盖简化，因此减少因素仍然是一个危险的努力。

对于我的项目，我打算拥抱安全因素的实证性质，并不思考它。如果我正在探索的区域已经存在一个因素，我将使用它。如果没有，我将使用下面的图像的东西作为起点和测试，直到我满意。

我认为安全因素是储存或提供的现代版本。我宁愿将与我的祖先相同的葡萄酒，而不是撇去并冒着冒犯众神的冒险。当我开始写作时，这是15亿美元的pricetag，这似乎荒谬，现在看起来像是人类的成本。

当读者联系时，我喜欢（关于我可能滥用脚注的任何东西）。留下评论，回复此电子邮件，在[email protected]上给我发电子邮件，或在LinkedIn找到我。

绘图练习＃37。如果你错过了，这就是为什么我学会画画。

2 John J. Zipay，Clarence T. Modlin和Curtis E. Larsen，“飞机和航天器的终极安全因素 - 其历史，应用和误解，第57届AIAA / Asce / AHS / ASC结构，结构动力学和材料会议，2016年1月，14，https://doi.org/10.2514/6.2016-1715。

3太空硬件安全结构设计与试验因素（美国国家航空航天局，2014年），17。

5 A G Pugsley，“结构工程安全概念”，“土木工程师26号”中学“杂志”。 5（1951年3月）：7，https://doi.org/10.1680/ijoti.1951.12755。

6 Neelke Doorn和Sven Ove Hansson，“概率设计应该更换安全因素？，”哲学＆amp;技术24，没有。 2（2010年9月28日）：154，https://doi.org/10.1007/S13347-010-0003-6。

8 George E. Miller和Clement J. Schmid，“安全 - USAF设计实践的因素”http://contrails.iit.edu/reports/9294，1978年4月1日。 13 J e Gordon，结构：或者，为什么事情不会跌倒（Middlesex，Harmondsworth：Penguin，1986），64。