专业/火星气候探测器
火星气候探测器 是 美国宇航局 喷气推进实验室 的任务，旨在分析 火星 的天气和气候。航天器设计和建造通过 洛克希德·马丁 公司签订合同。火星气候探测器是 火星勘测者 98 计划 的一部分，该计划还包括 火星极地着陆器。它的任务目标包括
火星气候探测器于 1998 年 12 月 11 日从 卡纳维拉尔角空军基地 的 德尔塔 2 号 火箭上发射。它将在 1999 年 9 月进入高度椭圆的火星轨道。两个月后，它将通过一个称为 大气制动 的过程，慢慢地通过掠过火星高层大气来使轨道圆形化，并在 1999 年 11 月火星极地着陆器抵达前两周左右进入最终轨道[1]。
当火星气候探测器于 1999 年 9 月 23 日抵达火星时，任务控制中心预计在协调世界时 09:06 失去联系，因为航天器将经过火星背后。联系在两分钟前就消失了，这表明它的轨迹与计划的不同。火星气候探测器没有像预期的那样在协调世界时 09:27 退出火星阴影，与探测器的联系从未重新建立[2]。美国宇航局在第二天宣布任务失败，并启动了调查[3]。
火星气候探测器任务是在 1990 年代美国宇航局的“更快、更好、更便宜”口号下启动的。这项政策是在第九任美国宇航局局长 丹尼尔·戈尔丁 于 1992 年 4 月就任该职位时实施的[4]。这一理念是在 1992 年发射的 火星观察者 等缓慢、昂贵的任务之后出现的。火星观察者在发射前花了八年时间开发[5]，并在进入火星轨道前不久丢失，总成本为 8.13 亿美元[6]。“更快、更好、更便宜”意味着大幅缩短机器人航天器的开发时间和任务成本。戈尔丁鼓励频繁、低成本发射。他认为，美国宇航局必须接受一些机器人航天器损失是不可避免的，以便获得最佳的科学成果[7]。戈尔丁在 1992 年总结了“更快、更好、更便宜”：“通过以流水线的方式建造它们，我们可以发射很多，所以如果我们由于高科技的风险性而损失了一些，这将不会像你将所有东西都放在一个探测器上并每十年发射一次那样，成为科学上的灾难或对国家声誉的打击”[8]。火星气候探测器确实 比以前的任务快得多，便宜得多。它只花了四年的时间开发[9]，火星气候探测器和火星极地着陆器的总成本为 3.28 亿美元[10]。
美国宇航局在“更快、更好、更便宜”下的成本削减策略之一是为任务循环利用工程团队。同一个团队被用于三个同时进行的火星探索计划任务，包括火星气候探测器[11]。按小时聘用主题专家来进行设计评审，而不是全职聘用。这种方法降低了成本，并为工程师快速积累了经验，但也导致团队成员工作过度，无法深入了解火星气候探测器的系统知识。该团队在前往火星的九个月旅程中难以识别航天器的问题，即使发现了轨道问题，该团队也无法解决问题[12]。
调查委员会发现单位不匹配是导致任务失败的根本原因。
火星气候探测器，像许多航天器一样，使用三轴反作用轮来保持恒定的姿态。随着时间的推移，太阳风和其他扰动会导致航天器旋转。每当机载计算机检测到旋转时，火星气候探测器就会以相反方向旋转一个或多个反作用轮以抵消它。这些反作用轮最终可能会达到非常高的旋转速度，并因角动量而“饱和”。为了在保持姿态的同时减慢车轮速度，火星气候探测器必须点燃其推进器；这个过程被称为角动量去饱和 (AMD) 事件。火星气候探测器的任务需要异常多的 AMD 事件——大约是预期数量的十倍。这可能是由于其不对称性；一面上的大型太阳能电池板会捕获太阳风并引起强烈的旋转[2]。
每次 AMD 事件都会导致航天器轨迹发生微小变化。火星气候探测器将有关每次 AMD 事件的数据发送回地球，以便规划航向调整。计算轨迹的地面计算机使用洛克希德·马丁编写的名为 SM_FORCES 的脚本，该脚本将推进器脉冲值列为英制单位（磅秒），而不是程序其余部分使用的公制单位（牛顿秒）。因此，这些计算机将每次 AMD 事件的影响低估了 4.45 倍[2]。
由于每次 AMD 事件没有得到完全修正，火星气候探测器在其最终进近过程中偏离了航线。其初始轨道到达的最低高度为 57 公里，而不是计划的 226 公里。这远低于估计的 80 公里的生存阈值；火星气候探测器很可能在大气中解体了[2]。
在轨道插入之前，来自探测器的数据表明其位于 110 公里的高度，仅比允许的最低高度高出 30 公里。导航工程师讨论执行紧急机动 TCM-5，以将航天器高度提高到更安全的水平[11]。该团队决定不进行机动，因为这会推迟轨道插入并中断与火星极地着陆器的通信，可能会危及着陆器的任务。机动程序也尚未提前完全开发。事故调查委员会后来报告说，执行 TCM-5 可能已挽救了航天器[12]。
洛克希德·马丁忽略了 NASA 发布的标准，即在所有计算中使用公制单位[13]。双方都没有任何小组或个人检查开发过程中使用的单位规格和单位。新闻稿将这一沟通失误列为火星气候探测器失事的根本原因，但表示任何一方的充分审查都可能防止失误[14]。
当 NASA 工程师意识到航天器偏离航线时，他们计划执行 TCM-5 机动。这种机动可能会挽救航天器，但由于沟通和决策失误，它从未执行过[15]。这可能是由于工程师的管理理念是证明某些事情是错误的，而不是更安全的方法来证明某些事情是正确的。NASA 员工知道有些事情不对劲，但他们没有采取行动，因为他们不确定。
"人们有时会犯错误。这里的问题不是错误，而是 NASA 的系统工程、以及我们流程中用来检测错误的检查和平衡措施的失败。这就是我们失去航天器的原因，" NASA 航天科学副署长爱德华·魏勒博士在公开发布的有关该事件的声明中说[13]。充分的测试和报告系统可以发现在灾难发生之前出现的错误。首席调查员亚瑟·斯蒂芬森在新闻发布会上说，“如果我们进行了端到端的测试，我们相信这个错误就会被发现"[15]。由于“更好、更快、更便宜”的心态导致的测试不足，导致了航天器失误。
这些组织性错误是组织内灾难的常见原因。管理方面的问题可能会造成毁灭性的影响。
1964 年 2 月 10 日，HMAS 航海者号，一艘驱逐舰，和HMAS 墨尔本号，一艘航空母舰，正在进行飞行演习，只使用作业和导航灯。航海者号被命令从右舷位置移动到左舷[16]。HMAS 航海者号改变了航向，墨尔本号上的领导层认为航海者号正在执行“鱼尾”机动[17]。相反，航海者号在没有鱼尾的情况下通过了，导致了碰撞，航海者号沉没，82 名军官和水手丧生[16]。两艘船之间的沟通失误导致了悲剧。
2010 年 4 月 20 日，英国石油公司的一座石油钻井平台深水地平线发生了一场灾难，导致爆炸，造成 11 人死亡[18]。在爆炸之前，该井一直有易燃气体“喷出”的历史，其中易挥发气体从井中逸出，有可能在钻井平台上发生爆炸性反应[18]。尽管知道风险并违反了标准程序，他们还是用一个更轻的芯子替换了致密的芯子（防止爆炸的最后一道防线），而没有完全安装塞子，以更快地使钻井平台投入使用[18]。这个错误与井口设备的机械故障（第一道防线）相结合，这些故障本可以通过更多测试和监管来解决[19]。为了“更快”地交付而导致了安全监督。
轨道器团队的决定是现状偏差的典型表现。现状偏差是指人们倾向于做出维持现状的决定，任何偏离基线的改变都被视为损失[20]。通过执行TCM-5机动，该团队将面临批评或后悔。该团队害怕偏离理想的时间线，因为火星极地着陆器最终还是由于无关问题而失败了[11]。他们没有关注轨道器面临的风险，而该风险在数据中是明显的，而是通过引用可能对着陆器造成的风险来为不采取行动辩护。该团队并没有做出明智的决定，而是受到破坏现状的恐惧的影响。尽管他们拥有做出决定和执行TCM-5所需的信息，但他们最终还是更加看重行动的风险，而不是不行动的风险。
过度自信偏差
[edit | edit source]直到航天器丢失，轨道器团队才意识到轨迹问题。在整个太空飞行过程中，他们收到了有关轨道器位置的异常数据。在插入之前，轨道器比预计高度低100多公里。对于外行人来说，这将令人担忧，但火星气候轨道器的团队对航天器的设计和子系统过于自信。他们认为数据有误，航天器的定位不可能出错[11]。根据事故调查委员会的说法，他们认为绕火星轨道运行是“例行公事”[12]。这与过度自信偏差同义，在这种偏差中，一个人对自己能力和判断力过于自信[21]。在轨道器失败后，喷气推进实验室的一份内部备忘录中描述了这一点：“可能存在一些过度自信，我们的流程、设计或操作中的鲁棒性不足，对操作的建模和模拟不足，以及未能理会早期警告”[22]。
锚定陷阱
[edit | edit source]从事气候轨道器任务的工程师同时也在从事火星极地着陆器和火星全球探测器的任务。该团队没有充分研究轨道器的系统，对它的设计了解不完整。相反，他们严重依赖对火星全球探测器的了解，火星全球探测器在火星气候轨道器入轨前两年成功地进入了轨道插入阶段。这种心态是锚定陷阱的典型特征。这种决策陷阱是由于决策者过分依赖之前的知识和经验，而没有意识到当前情况的不同[20]。这会导致不适合当前问题的决定。美国宇航局安全中心的史蒂夫·利利解释了轨道器团队是如何陷入锚定陷阱的：“由于团队成员超负荷、培训不足以及对火星气候轨道器设计了解不完整，运营导航团队依靠他们对火星探测器的熟悉程度来操作火星气候轨道器。基于这种先验知识的假设导致了任务失败”[11]。
结论
[edit | edit source]从火星气候轨道器任务中可以吸取三个重要的教训，并将其应用于任何协作工程。首先，所有各方必须了解对所执行工作的期望。失败的根本原因是洛克希德·马丁公司对美国宇航局的单位要求一无所知。其次，工程师必须针对任务进行充分的培训，并对其结果负责。火星气候轨道器团队不熟悉该飞行器，也没有在飞行过程中识别或纠正错误。最后，注重细节对工程项目至关重要。如果美国宇航局和洛克希德·马丁公司的工程师正确地验证了他们的产品，这场损失可能就会避免。“更快、更好、更便宜”在这里并不奏效，因为火星气候轨道器是以牺牲可靠性为代价，更快、更便宜地制造出来的。对该主题的进一步研究应确定火星气候轨道器的失败如何影响后续航天器的设计和人员组织。美国宇航局最近的机器人任务成功可能标志着成本和可靠性之间取得了更好的平衡。
参考文献
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