解析《火星人》中的技術:在太空中解決問題

類別: 新奇

這一系列的前幾篇文章都在關注現實生活中的NASA硬體,它們啟發了Andy Weir小說(和電影)《火星人》中的虛構裝備。具體而言,我們看了許多用於在太空中處理空氣電力的元件,而這篇文章會有點不同。

《火星人》的讀者們知道,這本書中反覆出現的主題之一涉及利用手頭任何東西結合大量聰明才智修理損壞的裝置。這些場景與NASA載人和無人太空船的日常運作有著非常真實的類比。太空是一個極其惡劣的環境,而航天器元件會壞掉…很多次。讓我們看看NASA如何處理這些飛行中的故障。

解析《火星人》中的技術:在太空中解決問題
圖片來源:二十世紀福克斯

談論太空中的硬體問題很難不提到阿波羅13號任務,以及任務控制為了讓乘員活著回家做出的無數奇蹟。在Ron Howard關於這次磨難的1995年電影中有一個令人難忘的場景,任務控制的工程師們開始努力逆轉登月艙中上升的二氧化碳含量。有人把一盒看似隨機的部件傾倒在桌子上,這代表太空船成員的所有可用資源,挑戰立刻很明顯:用這些零件找到一個解決方案,否則就會死人。

在和當代飛行控制員Tom Sheene最近的對話中,我問“一盒子東西”的場景是否仍有發生。他答覆道,“一直都有……這是我工作中最具挑戰性和有價值的部分。”Sheene又告訴我他的團隊設計的一個定製工具用來潤滑空間站的機械臂,還有另一件工具被太空行走宇航員用來釋放一個拒絕展開的太陽能電池陣列。

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飛行控制員Tom Sheene是負責維護和修理ISS上所有系統的OSO組的一部分。

當設計這些定製工具時,美學讓位於功能,但只要它們把工作做好,沒有人會介意。給這些工具取的名字同樣低調,阿波羅的改裝二氧化碳洗滌器是叫做“信箱”,而那個太陽能電池陣列工具是“曲棍球”。成為永久庫存一部分的工具則更名為更科學的術語,並與NASA的所有東西一樣被打上一個縮寫。現成的案例:Sheene的機械臂工具從“蒼蠅拍”升級到“BLT”(滾珠螺桿潤滑工具)。

雖然ISS上一個故障元件很少觸發立即的鬥智鬥勇生死之戰,但風險總是高的。不管故障元件是什麼,它被送上太空都是有原因和代價巨大的,你不能只是搖下車窗,調響收音機,假裝它沒在軋軋亂響。

Sheene和他的同事們在任務控制中心負責運營支援官(簡稱OSO — 發音“哦這樣”)控制檯。在往往圍繞著NASA名稱和縮寫的多層次象徵意義中,OSO的正式官方臂章中顯示著大熊座,該星座是對“Oso”的西班牙語釋義的內涵梗。

大多數飛行控制員的任務是其職權範圍內具體系統的執行和管理,但OSO們則是略有不同的一群。雖然該組確實有一些硬體分配給他們(即來訪飛船與國際空間站對接的介面),OSO負責太空船所有系統的維護和修理。按Sheene的說法,他們是ISS的“豪華版門衛”。後來他表示把OSO看作是NASA版本的《星際迷航》總工斯科特更為確切。

OSO團隊所做的大部分也涉及例行定期維護。Sheene指出,“就像你的車一樣,如果你不做預防性維護,如更換機油,以後會壞上十倍。”ISS以類似的方式塞滿了過濾器、泵和其他消耗品,有規定的拆卸和更換(R&R)計劃。Sheene指出執行這些照料任務的開銷對ISS乘員可能會是可觀的,“有時宇航員會花一整天時間做維護。”

儘管R&R裝置有計劃好的到期時間,OSO不一定按期替換每一個部件。由於一些零件的成本,以及維持軌道補給貨架庫存的難度,選定元件會繼續使用直到它們故障。當然,這隻會發生在非關鍵系統,而且僅當R&R部件的故障不會導致其它元件的繼發故障。

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戲劇性的Apollo 13事件期間任務控制的一群人在檢查“郵箱”,該裝置被匆忙創造出來移除登月艙裡的二氧化碳。

儘管有OSO團隊的努力,太空還是會出事。意想不到的故障和從未見過的問題是ISS生活不可迴避的方面,這些情況經常需要NASA眾所周知的(並在《火星人》中受到慶祝)憑經驗的聰明才智。雖然解決方案可能需要顯著的臨時湊合,但通向那裡的道路通常是駕輕就熟的。

當ISS上出現問題時,OSO團隊的任務就是解決它。但提醒你,他們並不是在真空中工作,至少,OSO需要和負責受影響系統的飛行控制員和對所有事情最終說了算的飛行主管合作,情況的複雜程度可能會決定讓宇航員、硬體專家、承包商和其他人也被牽涉進來。

Sheene表示解決問題的方法始於一個稱為故障影響變通方案(FIW)的過程。在我們討論FIW的細節問題時,Tom使用了MMOD(微流星體和軌道碎片)擊穿ISS殼體的場景。ISS確實不時被MMOD命中,值得慶幸的是,飛行控制員定期訓練的“地獄化身”MMOD破壞場景沒有一個變成現實。即便如此,MMOD例子提供了對NASA危機管理方法論的廣泛瞭解,所以我在這裡把它放出來。

FIW的第一步是瞭解實際損壞的是什麼。Sheene解釋道:

“很多時候我們不知道故障實際是什麼……我們最好所能做的是說‘這是故障特徵’。例如,我們看到這個機箱,這臺計算機,已經完全失去電力。那麼故障是什麼?機箱壞了嗎?這個機箱的電源壞了嗎?我們就像你的典型電話技術支援人員一樣對待它,我們必須問基本的問題像‘你開啟電源了嗎?’這種事情幫助我們鎖定問題的根源。”

Sheene繼續解釋MMOD打擊很少只引起一個問題,可能有跨多個系統的大量元件受到影響,問題組合可能會造成更大混亂,但也可能提供更多線索幫助找出是什麼出了錯。

“當我們處理這些案例時,ADCO(姿態確定與控制官)可能會告訴我們‘我們(ISS)在俯仰和偏航’,而機組也許會告訴我們他們聽到在節點2有噪聲。現在我們知道,我們失去了一臺位於該模組的計算機,乘員聽到在那裡有什麼聲音,而且我們正在排放空氣使空間站旋轉。由此,我們可以相對肯定我們在節點2受到了MMOD打擊,突破船殼並幹掉了那臺計算機。基於ISS正要旋轉的方向和損壞計算機的位置,我們對於去哪裡尋找這個破洞也就有了很好的想法。”

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遠征11號的指揮官宇航員Sergei Krikalev使用電動工具修理ISS星辰號服務艙的電子製氧機。

FIW過程的下一步驟是確定每個問題的緊迫性和如何優先分配資源解決他們。一個沒有商量餘地的義務層次結構使這個任務多少比較容易。首要任務總是照顧乘員的安全。Sheene解釋道:

“顯然,我們的首要目標是保持乘員安全,如果你能夠的話,再保住載具。但是你不會想讓乘員受到傷害來拯救空間站或以某種方式將乘員與逃生載具(即停靠在國際空間站的俄羅斯聯盟號3座飛船)分開。

OSO與受影響的專業(飛行控制員)和飛行主管合作,找出什麼是最重要的影響,而這就是我們首先要做的,大部分時間裡這將是船殼。你可能會失去多個系統,但它們通常有內建的冗餘層次。其他飛行控制員可能開始工作在他們系統的恢復計劃上,但OSO很可能要專注於首先修補船殼上的洞。

一個洞的主要問題是它可能變得更大,在這種情況下,我們通常會做的是讓乘員離開該模組,密封艙門,讓它排洩到真空,再考慮上幾天。一旦我們有了一個可靠的計劃,我們會重新加壓模組並回去補上洞。(注–Sheene在談論的是模擬場景。到目前為止,飛行控制員從未需要封閉實際國際空間站上的任何模組。)

如果乘員碰巧立即就知道洞的精確位置,那顯而易見……你就馬上補吧。但即使是在這種情況下…空間站如此地塞滿了東西,他們可能會花上一個小時移走機架和硬體,只是為了能夠到這個洞。”

FIW的最終元素涉及實際修理損壞元件,在損壞的機架計算機和其他常見硬體的情況下,通常有機載備件可用,乘員抽出壞掉的單元並換進一個新的。

根據其大小和位置,修復MMOD打擊造成的洞可能會有點棘手。有幾種不同預製補丁可選來完成這項任務。當洞位於船殼的開放和可訪問部分時,就使用剛性補丁。當洞口在艙壁或其他障礙物附近時,使用柔性補丁。也有使用Duxseal密封劑或類似環氧樹脂的二元混合物處理特別麻煩的船體破裂的選項。

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Doug Wheelock展示臨時拼湊的“曲棍球棒”工具,由他的太空行走夥伴Scott Parazynski用來解開一個勾住的太陽能陣列。

不可避免的是,有時候國際空間站的工具箱根本沒有完成手頭任務的工具,這時OSO團隊就即興發揮開發一些東西來完成工作。郵箱,蒼蠅拍,和曲棍球棒就是成果。OSO不僅負責開發解決方案,他們還必須指示乘員如何組裝和使用新部件,這通常是用上傳到國際空間站的書面程式完成。

問題並不總是緊迫的。在機械臂的情況下,Sheene就能夠把時間花在設計製造機械臂元件的加拿大團隊上,也許更重要的是,他能得到將在太空中使用BLT的宇航員的時間,甚至在他們發射前,Sheene向他們提供了該工具的培訓。這種奢侈的提前時間和實踐培訓機會是罕見的。

只要人類繼續佔據空間,無論是在國際空間站還是遙遠如火星一樣的地方,都會有技術性問題要處理。有一個計劃和流程來面對這些問題是有幫助的,然而,不可能預測到每一個場景。就像《火星人》中的馬克·沃特尼所表明的,冷靜的頭腦和理性而創新的思維也許是你能支配的最有效工具。

[王丟兜 via Tested]

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