Space-specific quantitative approach for Common Cause Failure Analysis of manned spaceflight

Quantitative Fault Tree Analyses (QFTAs) are a fundamental tool for determining residual risk and are used in hazard control in many industries. In addition to assessing the probabilities of hazards after control measures have been implemented, they provide a fundamental aid to Risk Informed Decision Making (RIDM), by highlighting the weaknesses in a design and allowing efficient application of countermeasures. In the space sector, QFTAs are currently required for every manned spaceflight mission. However, the effectiveness of the quantitative aspect is often questioned, especially when it comes to Common Cause Failures (CCF). CCFs have the potential to negate the effect of redundancy, the most common form of control; they must therefore be properly addressed for effective system improvement. Although many methodologies have been implemented to address CCFs from a quantitative point of view, a space- specific methodology requires proper investigation and a concrete procedural framework. This work proposes a summary of methods for the quantitative assessment of CCF effects on QFTAs from different industrial sectors, referring to many available standards and guides, and discusses their applicability to the space domain. After identifying the constraints imposed by Space Engineering and stating the requirements for an effective industrial approach, the work will discuss the implementation of CCF quantification methodologies for manned space stations in the context of the Lunar Gateway’s Probabilistic Risk Assessment. The work focuses on identifying the limitations of the current methodologies, leading to the need for a new solution, answered in this work. The definition of CCF is first addressed, followed by the tactics for identifying Common Cause Component Groups – CCCG and the classification of root causes. Emphasis is then put on the definition of a method for the practical implementation of the CCFs in QFTAs of space hazards. Discussions on the feasibility and effectiveness of implicit and explicit methods are proposed, resulting in the creation of a new, hybrid methodology. This methodology is detailed, justified, validated, and formalized throughout a spreadsheet-based tool. The suggested CCF methodology is implemented on selected in-flight hazards of the Lunar Gateway’s European Refueling Module (ERM).

Le analisi Fault Tree quantitative (Quantitative Fault Tree Analysis - QFTA) sono uno strumento fondamentale per determinare il rischio residuo e sono utilizzate nel controllo dei pericoli in molti settori industriali. Oltre a valutare le probabilità dei pericoli dopo l'attuazione delle misure di controllo, forniscono un aiuto fondamentale al Risk Informed Decision Making (RIDM), evidenziando i punti deboli di un progetto e consentendo un'applicazione efficiente delle contromisure. Nel settore spaziale, i QFTA sono attualmente richiesti per ogni missione umana. Un argomento di particolare interesse nell’ambito dei QFTA sono le Common Cause Failures (CCF). Le CCF hanno il potenziale di annullare l'effetto della ridondanza, la forma più comune di controllo; devono quindi essere identificate in modo adeguato per un efficace miglioramento dei sistemi. Sebbene esistano molte metodologie per affrontare le CCF da un punto di vista quantitativo, una metodologia specifica per lo spazio richiede un'indagine adeguata e un quadro procedurale concreto. Questo lavoro propone una sintesi dei metodi di analisi quantitativa degli effetti delle CCF, analizzando opzioni provenienti da diversi settori industriali, riferendosi all’ambiente normativo, e discutendo la loro applicabilità al dominio spaziale. Dopo aver identificato i bisogni del settore spaziale e aver indicato i requisiti per un approccio industriale efficace, il lavoro discuterà l’applicazione delle metodologie di quantificazione delle CCF per missioni con equipaggio nel contesto della valutazione probabilistica dei rischi del Lunar Gateway effettuata in Thales Alenia Space. Il lavoro si concentra sull'identificazione dei limiti delle metodologie attuali, che portano alla necessità di una nuova soluzione, a cui si risponde in questo lavoro. In primo luogo, viene affrontata la definizione di CCF, seguita dalle tattiche per l'identificazione dei Common Cause Component Groups (CCCG) e dalla classificazione delle Root Causes. Si procede poi alla definizione di una metodologia per l'implementazione pratica e quantitativa delle CCF nei QFTA. La fattibilità e l'efficacia dei metodi impliciti ed espliciti sono messe in discussione, portando alla creazione di una nuova metodologia ibrida. Questa metodologia è giustificata in dettaglio, validata e formalizzata in uno strumento basato su un foglio di calcolo. La metodologia CCF proposta è stata implementata su alcuni in-flight hazards del modulo di rifornimento europeo (ERM) del Lunar Gateway.