@ 2015.10.03 , 13:00

解析《火星人》中的技术:在太空中解决问题

这一系列的前几篇文章都在关注现实生活中的NASA硬件,它们启发了Andy Weir小说(和电影)《火星人》中的虚构装备。具体而言,我们看了许多用于在太空中处理空气电力的组件,而这篇文章会有点不同。

《火星人》的读者们知道,这本书中反复出现的主题之一涉及利用手头任何东西结合大量聪明才智修理损坏的设备。这些场景与NASA载人和无人太空船的日常运作有着非常真实的类比。太空是一个极其恶劣的环境,而航天器组件会坏掉…很多次。让我们看看NASA如何处理这些飞行中的故障。

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图片来源:二十世纪福克斯

一盒子东西

谈论太空中的硬件问题很难不提到阿波罗13号任务,以及任务控制为了让乘员活着回家做出的无数奇迹。在Ron Howard关于这次磨难的1995年电影中有一个令人难忘的场景,任务控制的工程师们开始努力逆转登月舱中上升的二氧化碳含量。有人把一盒看似随机的部件倾倒在桌子上,这代表太空船成员的所有可用资源,挑战立刻很明显:用这些零件找到一个解决方案,否则就会死人。

在和当代飞行控制员Tom Sheene最近的对话中,我问“一盒子东西”的场景是否仍有发生。他答复道,“一直都有……这是我工作中最具挑战性和有价值的部分。”Sheene又告诉我他的团队设计的一个定制工具用来润滑空间站的机械臂,还有另一件工具被太空行走宇航员用来释放一个拒绝展开的太阳能电池阵列。

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飞行控制员Tom Sheene是负责维护和修理ISS上所有系统的OSO组的一部分。

当设计这些定制工具时,美学让位于功能,但只要它们把工作做好,没有人会介意。给这些工具取的名字同样低调,阿波罗的改装二氧化碳洗涤器是叫做“信箱”,而那个太阳能电池阵列工具是“曲棍球”。成为永久库存一部分的工具则更名为更科学的术语,并与NASA的所有东西一样被打上一个缩写。现成的案例:Sheene的机械臂工具从“苍蝇拍”升级到“BLT”(滚珠螺杆润滑工具)。

虽然ISS上一个故障组件很少触发立即的斗智斗勇生死之战,但风险总是高的。不管故障组件是什么,它被送上太空都是有原因和代价巨大的,你不能只是摇下车窗,调响收音机,假装它没在轧轧乱响。

修理熊

Sheene和他的同事们在任务控制中心负责运营支持官(简称OSO — 发音“哦这样”)控制台。在往往围绕着NASA名称和缩写的多层次象征意义中,OSO的正式官方臂章中显示着大熊座,该星座是对“Oso”的西班牙语释义的内涵梗。

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大多数飞行控制员的任务是其职权范围内具体系统的运行和管理,但OSO们则是略有不同的一群。虽然该组确实有一些硬件分配给他们(即来访飞船与国际空间站对接的界面),OSO负责太空船所有系统的维护和修理。按Sheene的说法,他们是ISS的“豪华版门卫”。后来他表示把OSO看作是NASA版本的《星际迷航》总工斯科特更为确切。

OSO团队所做的大部分也涉及例行定期维护。Sheene指出,“就像你的车一样,如果你不做预防性维护,如更换机油,以后会坏上十倍。”ISS以类似的方式塞满了过滤器、泵和其他消耗品,有规定的拆卸和更换(R&R)计划。Sheene指出执行这些照料任务的开销对ISS乘员可能会是可观的,“有时宇航员会花一整天时间做维护。”

尽管R&R设备有计划好的到期时间,OSO不一定按期替换每一个部件。由于一些零件的成本,以及维持轨道补给货架库存的难度,选定组件会继续使用直到它们故障。当然,这只会发生在非关键系统,而且仅当R&R部件的故障不会导致其它组件的继发故障。

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戏剧性的Apollo 13事件期间任务控制的一群人在检查“邮箱”,该装置被匆忙创造出来移除登月舱里的二氧化碳。

当事情变艰难

尽管有OSO团队的努力,太空还是会出事。意想不到的故障和从未见过的问题是ISS生活不可回避的方面,这些情况经常需要NASA众所周知的(并在《火星人》中受到庆祝)凭经验的聪明才智。虽然解决方案可能需要显著的临时凑合,但通向那里的道路通常是驾轻就熟的。

当ISS上出现问题时,OSO团队的任务就是解决它。但提醒你,他们并不是在真空中工作,至少,OSO需要和负责受影响系统的飞行控制员和对所有事情最终说了算的飞行主管合作,情况的复杂程度可能会决定让宇航员、硬件专家、承包商和其他人也被牵涉进来。

解决问题的方法始于一个称为故障影响变通方案的过程。FIW的第一步是了解实际损坏的是什么。

Sheene表示解决问题的方法始于一个称为故障影响变通方案(FIW)的过程。在我们讨论FIW的细节问题时,Tom使用了MMOD(微流星体和轨道碎片)击穿ISS壳体的场景。ISS确实不时被MMOD命中,值得庆幸的是,飞行控制员定期训练的“地狱化身”MMOD破坏场景没有一个变成现实。即便如此,MMOD例子提供了对NASA危机管理方法论的广泛了解,所以我在这里把它放出来。

FIW的第一步是了解实际损坏的是什么。Sheene解释道:

“很多时候我们不知道故障实际是什么……我们最好所能做的是说‘这是故障特征’。例如,我们看到这个机箱,这台计算机,已经完全失去电力。那么故障是什么?机箱坏了吗?这个机箱的电源坏了吗?我们就像你的典型电话技术支持人员一样对待它,我们必须问基本的问题像‘你打开电源了吗?’这种事情帮助我们锁定问题的根源。”

Sheene继续解释MMOD打击很少只引起一个问题,可能有跨多个系统的大量组件受到影响,问题组合可能会造成更大混乱,但也可能提供更多线索帮助找出是什么出了错。

“当我们处理这些案例时,ADCO(姿态确定与控制官)可能会告诉我们‘我们(ISS)在俯仰和偏航’,而机组也许会告诉我们他们听到在节点2有噪声。现在我们知道,我们失去了一台位于该模块的计算机,乘员听到在那里有什么声音,而且我们正在排放空气使空间站旋转。由此,我们可以相对肯定我们在节点2受到了MMOD打击,突破船壳并干掉了那台计算机。基于ISS正要旋转的方向和损坏计算机的位置,我们对于去哪里寻找这个破洞也就有了很好的想法。”

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远征11号的指挥官宇航员Sergei Krikalev使用电动工具修理ISS星辰号服务舱的电子制氧机。

FIW过程的下一步骤是确定每个问题的紧迫性和如何优先分配资源解决他们。一个没有商量余地的义务层次结构使这个任务多少比较容易。首要任务总是照顾乘员的安全。Sheene解释道:

“显然,我们的首要目标是保持乘员安全,如果你能够的话,再保住载具。但是你不会想让乘员受到伤害来拯救空间站或以某种方式将乘员与逃生载具(即停靠在国际空间站的俄罗斯联盟号3座飞船)分开。

OSO与受影响的专业(飞行控制员)和飞行主管合作,找出什么是最重要的影响,而这就是我们首先要做的,大部分时间里这将是船壳。你可能会失去多个系统,但它们通常有内置的冗余层次。其他飞行控制员可能开始工作在他们系统的恢复计划上,但OSO很可能要专注于首先修补船壳上的洞。

一个洞的主要问题是它可能变得更大,在这种情况下,我们通常会做的是让乘员离开该模块,密封舱门,让它排泄到真空,再考虑上几天。一旦我们有了一个可靠的计划,我们会重新加压模块并回去补上洞。(注–Sheene在谈论的是模拟场景。到目前为止,飞行控制员从未需要封闭实际国际空间站上的任何模块。)

如果乘员碰巧立即就知道洞的精确位置,那显而易见……你就马上补吧。但即使是在这种情况下…空间站如此地塞满了东西,他们可能会花上一个小时移走机架和硬件,只是为了能够到这个洞。”

FIW的最终元素涉及实际修理损坏组件,在损坏的机架计算机和其他常见硬件的情况下,通常有机载备件可用,乘员抽出坏掉的单元并换进一个新的。

根据其大小和位置,修复MMOD打击造成的洞可能会有点棘手。有几种不同预制补丁可选来完成这项任务。当洞位于船壳的开放和可访问部分时,就使用刚性补丁。当洞口在舱壁或其他障碍物附近时,使用柔性补丁。也有使用Duxseal密封剂或类似环氧树脂的二元混合物处理特别麻烦的船体破裂的选项。

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Doug Wheelock展示临时拼凑的“曲棍球棒”工具,由他的太空行走伙伴Scott Parazynski用来解开一个勾住的太阳能阵列。

不可避免的是,有时候国际空间站的工具箱根本没有完成手头任务的工具,这时OSO团队就即兴发挥开发一些东西来完成工作。邮箱,苍蝇拍,和曲棍球棒就是成果。OSO不仅负责开发解决方案,他们还必须指示乘员如何组装和使用新部件,这通常是用上传到国际空间站的书面程序完成。

问题并不总是紧迫的。在机械臂的情况下,Sheene就能够把时间花在设计制造机械臂组件的加拿大团队上,也许更重要的是,他能得到将在太空中使用BLT的宇航员的时间,甚至在他们发射前,Sheene向他们提供了该工具的培训。这种奢侈的提前时间和实践培训机会是罕见的。

结论

只要人类继续占据空间,无论是在国际空间站还是遥远如火星一样的地方,都会有技术性问题要处理。有一个计划和流程来面对这些问题是有帮助的,然而,不可能预测到每一个场景。就像《火星人》中的马克·沃特尼所表明的,冷静的头脑和理性而创新的思维也许是你能支配的最有效工具。

本文译自 Tested,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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