Space X 和波音公司将如何保证 NASA 太空人的安全?

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  • 时间:2020-06-09
Space X 和波音公司将如何保证 NASA 太空人的安全?

在 Space X 的 Falcon 9 号火箭飞往国际太空站途中解体事件发生大约一个月后,公司首席执行长 Elon Musk 宣布火箭坠落的原因,是一根两英呎长、一英吋厚的钢支柱导致。火箭液体氧气箱里的氦气压力阀由数千个这样的钢支柱维持,一旦钢支柱突然折断,大量氦气就会泻出,从而导致液体舱爆炸后引爆整个火箭。儘管只是一个微小的疏忽也会导致重大的太空事故。

幸运的是,坠落的飞行器内没有搭载太空人,只是丢了食物、水和货物,但是很快同一类型的火箭将会搭载太空人。Space X 和波音公司目前正在研发载人运输模型,搭载美国太空人往返于国际空间站。作为 NASA 商业载人运输项目的一部分,该项目计划于 2017 年实施,旨在发展私人航空业务。

作为太空总署首次将太空舰队的安危交由私人公司负责的首次尝试,航太部门为保证太空人的人身安全而採用了全新的保护手段。NASA 对私营公司发出要求表示:如果飞行任务没有遵守高标準的安全守则,或者太空总署在飞行器研製过程中监管力度不够,都将受到相应的惩罚。当然,SpaceX 和波音公司必须达到规定的几百条安全标準,同时证明即使搭载太空人的火箭爆炸时,也能保证他们的安全。对于其他方面,飞行器的外观以及运作方式,NASA 则并不会过多干涉。

儘管有如此高标準的要求,NASA 依然不能确保 Space X 和波音飞行器百分百的安全。「你能计算出每一百次飞行任务中有多少次任务是安全的并能将太空人安全送回地球?」NASA 商业飞行发展中心负责人 Phil McAlister 说,「平均每 270 次飞行任务中就会发生一次事故」。

更少的标準Space X 和波音公司将如何保证 NASA 太空人的安全?

从佛罗里达州发射的 NASA 亚特兰提斯号太空梭(NASA/Bill Ingalls)。

这些项目和商业载人运输项目最大的区别在于监管力度的不同。NASA  直接负责制定太空梭的设计规格,承包商需要达到 1 万至1.2 万个生产标準。商业载人运输项目使用的太空舱,例如 CST-100 和 Dragon V2 等,所需的供应工作几乎都由这些私人公司负责。SpaceX 和波音只需满足 NASA 制定的商业载人运输项目合同中规定的 280 条标準。NASA 商业飞行发展中心负责人 McAlister 表示,这些标準主要涉及安全和性能方面,对于 Space X 和波音公司的要求也并不会十分严格。比如,合约会规定为太空人制定一个中止计画系统,并能让太空人手动操作飞行器上的软体,但是他们没有规定这些系统怎幺运转。

McAlister 说:「这样的操作,为私营公司按照自己的方式设计系统提供了灵活性。商业载人运输项目可让我们废除低规格的标準,允许私营公司进行创新并提出独特的解决方案。」McAlister 认为由于不必担心 NASA 繁複的标準以及频繁的检查,这也让 SpaceX 和波音公司的工作便利许多。

NASA 为私营公司及太空总署之间提供联繫人,这些联繫人与公司工程师一块工作提供他们所需的技术。太空总署要求完全了解公司的设计。McAlister 透露:「如果有重要的会议或重要的数据需要测试,我们有权掌握情况。」儘管交流、合作十分密切,飞行器最终是归属于 SpaceX 和波音而不是 NASA。

商业载人运输项目监管力度不够有可能会导致安全问题。一月,负责监测 NASA 项目安全性能工作的航空航太安全谘询委员会称,NASA 没有为他们提供详细的安全运输资料。此后,NASA 加强与 ASAP 的沟通,但是担任谘询委员会主席的海军中将 Joseph Dyer 仍有担心。Dyer 对 Podcasting 客户端(The Verge)说:「我们相信执行力度的好坏在于领导力。」随着 NASA 一些关键人物例如 NASA 人类探索中心副行政官 Bill Gerstenmaier 的加入,Dyer 不再担心安全问题。他还说,他发现值得注意的是,他必须相信人格和声望而不是公开透明的数据讯息。

Space X 和波音公司将如何保证 NASA 太空人的安全?

波音目前正在研製 CST-100 太空舱,负责运输太空人。中止计画程序

商业载人运输项目要求公司满足一些关键技术标準,如同学生需要通过标準测试。公司能否通过则取决于自身实力。对于 SpaceX 和波音公司而言,这意味着複杂的程序。例如,公司会在飞行器内装备三个不同的电脑系统,避免有两个系统在执行任务时发生故障。即使三个系统都发生故障,也要确保太空人仍有后备资源可以控制飞行器任务进程。

保证太空人安全的主操作系统是太空舱的中止计画程序。我们六月从 SpaceX 获知,一个小钢条可使重达 500 多吨的火箭在起飞时刻坠落。NASA 想确保如果类似的事情再次发生,太空人能安全逃生。

为确保太空人安全,SpaceX 配置了中止计画系统可供太空人在飞行中使用。Dragon V2 表面嵌入了小型机器即 Super Draco,它可在飞行器抵达太空前,火箭发生故障时携带太空舱逃离。Dragon V2 还配备了降落伞可将太空舱安全带回地球。SpaceX 的发言人 Phil Larson 称:「与以往的中止塔系统不同,该装置可帮助太空人逃往轨道。」

Space X 和波音公司将如何保证 NASA 太空人的安全?

五月份,SpaceX 成功实施发射中止操作实验。

波音公司称它们也有类似的逃生系统可供太空人在飞行中使用。如果飞行器发生故障,波音飞行器系统会自动检测出故障,与此同时 Rocketdyne RS-88 机器会将太空舱送入安全区域。波音公司载人和任务操作中心负责人 Chris Ferguson 说,之后降落伞会启动。他还说,一旦主机器发生故障,飞行中止操作系统可在任何情况下运行。

应对故障的计画也在飞行器发射前準备完毕。这些被称为中止操作系统,它们在火箭机器发生故障时将太空人从发射架带走。飞行逃生系统中的这些机器将太空舱带至安全区域。

儘管这些安全系统十分相似,但是他们接受的测试并不相同。SpaceX 已于五月份展示了中止操作系统,并计划在 2016 年测试飞行逃生系统。而波音公司表示不会在 2017 年二月前检验其中止操作系统。此外,在太空舱进行首次载人航空前,波音公司未发布对飞行中止操作系统进行测试的消息。NASA 认为,这是因为波音更依靠于计算机模型。因为 SpaceX 已经有类似 Dragon V2 的飞行器,所以该公司能做真正的实验。

机率风险评价

NASA 预测将会有伤亡事故发生,这种可怕的计算方法就是机率风险评价(probabilistic risk assessment)简称 PRA。它可用于评估尖端技术的风险,主要预测的内容包括三方面:潜在的系统故障、故障发生的形式,以及带来的结果──当然也包括死亡。

公司进行机率风险评价时,需要关注过去的失败率,飞行器可靠性、飞行区域以及其他相关数据。NASA 工作人员 McAlister 说:「有时模仿真正的飞行试验需要反覆进行。」这些公司必须证明,太空舱在实施国际空间站任务时确保太空人的生还率达到 99.6%。

实际上人们对 PRA 一直存在质疑。例如,它们没有考虑人类错误的因素。专家认为,它也绝不可能将所有可能的灾难因素考虑进去,但是它们对于分析将要发射的飞行器的优缺点十分有帮助。

儘管存在一些缺陷,商业太空飞行 PRA 相对于旧实验的优势不言而喻。太空梭太空人失联的平均机率为 1/80,按此计算新太空舱的安全係数是它的三倍。哥伦比亚号和挑战者号飞船遇难所带来的阴影笼罩着安全系统,这也是新的中止操作系统存在的原因之一。Ferguson 称,这也是为什幺太空舱体积更小──便于躲避太空中的轨道碎片。

Ferguson 还说:「儘管我们的技术取得了重大进步,但我们并没有取得完全胜利,我们不能忘记太空梭已经夺走了 15 条生命。」

儘管比较商业载人运输项目和太空梭是暂时的,但是十分有必要。SpaceX 将于 2016 年四月份测试 Dragon 太空舱,波音公司将于 2017 年四月份检验其 CST-100 太空舱。下次载人飞行原定于 2017 年进行,儘管 NASA 负责人 Charles Bolden 称如果国会不批准太空总署项目所需的资金,首次载人飞行将会延迟。首次飞行的成功或许不足以证明该项目的成功,我们需要可靠性。所以我们需要更多的飞行任务,而不仅仅只有一次。只有发射任务失败才知道测试的结果,也只有在这种情况下我们能检测出安全系统的效果到底如何。