肖恩·布雷迪探索2014维珍银河失事的教训是如何相关的设计工程师,不顾纪律
机械手

肖恩·布雷迪探索2014维珍银河失事的教训是如何相关的设计工程师,不管纪律。

介绍


10月31日上午,2014,维珍银河二号宇宙飞船脱离它的运输工具,白骑士二号,并开始在地球的atmosphere1试飞。太空船二号,可重复使用的亚轨道火箭,由两个经验丰富的人驾驶。彼得·西伯德,飞行员,43岁,49小时在太空船飞行时间;副驾驶,39岁的迈克尔·阿尔斯伯里,在同一辆车上飞行32小时。

图1:由白骑士二号太空船

刚从白骑士二号部队撤离,太空船二号发射了火箭。它加快了速度,接近声屏障。突然它变得空气动力学不稳定。然后它裂开了。它的飞行员,Siebold连同他的座位,被从车上扔下来。

他设法摆脱了座位,他的降落伞打开了,在14公里的坠落过程中,他时而意识模糊。他受了重伤。不幸的是,Alsbury,副驾驶,在车祸中丧生,被发现仍被困在残骸中的座位上。

维珍银河公司寻求空间


到2014年底,太空船二号,和白骑士二号一起,这是维珍银河探索太空的最新工具。白骑士二号是一种外形像双体船的飞机,它以螺旋桨的方式爬升到大约50海拔高度,000英尺;在攀登过程中,太空船2悬挂在它下面(图1)。

50岁,000英尺的事情真的变得有趣。白骑士二号太空船二号分离,与白骑士二号向上承担由于体重下降和迅速的走出。在典型的飞行中,太空船2发射火箭并加速,几乎垂直向上转动。

它加速超过跨音速范围(0.9-1.1马赫),变成超音速,把两名飞行员和六名乘客挤到座位上。不久之后关闭了火箭和太空船的向上动力携带它弧形后,穿越高峰或远地点,在开始向下的轨迹之前。

当车辆穿过这个弧线时,它为乘客俯瞰下面的地球,他们解开绳子,进行四分钟的失重运动。然后,在重力恢复自身之前,他们系上安全带,车辆在下降时开始加速。

最聪明的部分是“太空船2”如何重返地球大气层。


真正聪明的部分是SpaceShip2如何重返地球大气层。与美国国家航空航天局航天飞机或阿波罗命令模块,热发生在返回过程不是一个严重的问题因为太空船实际上并不进入轨道。

确实如此,然而,不得不放慢其血统(通过生成阻力)和需要确保它仍面临“正确的方式”。产生阻力,然而,是一把双刃剑:当它需要重新进入时,在升压阶段需要将其最小化。SpaceShip2通过使用带羽毛的系统来解决这种冲突——它在飞行的不同阶段改变它的形状。

在升压阶段,羽毛保持未展开状态,阻力最小化,但在重返大气层期间,飞行员和副飞行员展开羽毛,它旋转通过60°并显著增加对车辆的阻力(主图像)。展开的羽毛还自动保持车辆的底面朝下,因此同时解决定位问题(1)。
重新进入后就着陆了。

由于SpaceShip2没有动力(除了火箭),它现在表现得像滑翔机,由于飞行员只有一次机会安全着陆,所以没有动力中止飞行,返回地面进行另一次飞行。在这个阶段控制车辆是非常困难的,这就是为什么只有最好的飞行员才被录取,其中很多是ex-NASA或航空试飞员。

雇用最优秀的人似乎对汽车的发展产生了强烈的影响,这是由诺斯罗普·格鲁曼公司下属的缩尺复合材料有限责任公司(Scaled Composites LLC)承担的,同样是格鲁曼人建造了标志性的阿波罗月球舱,把尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林送上月球的蜘蛛车。

太空船的设计中采用的理念之一是自动化最小化,控制是剩下的飞行员。(这与美国国家航空航天局的航天飞机计划大相径庭,航天飞机着陆完全由计算机控制——事实上,事实上,人们怀疑一个人能否独立完成航天飞机的着陆。

Scaled Composites认为最小化自动化也最小化了可能出错的系统数量。飞行员的直觉,反应和控制将是第一个和最后的一道防线。

撞车事故


10月31日上午,2014,白骑士二号太空船到46,400英尺(14)142m)(1)。试验计划要求太空船二号发射火箭,然后展开羽毛滑回太空港。正是羽毛的展开把考验变成了悲剧。

羽毛部署有两个阶段:解锁和部署。副驾驶用手动“解锁”把羽毛固定在适当位置的机械锁,然后机长和副驾驶“部署”的羽毛拉两个杠杆,激活致动器,旋转羽毛通过60°。然而,只有很窄的窗口,副驾驶才能打开羽毛,也就是当车辆在1.4马赫到1.8马赫之间行驶时。

一旦超过1.4马赫,作用在羽毛上的空气动力阻止其展开,由于执行机构用于实现部署并非旨在防止部署,羽毛可以安全地锁在这个羽毛部署的速度而不用担心无意中。

然而,低于1.4马赫的速度,在跨音速范围(0.9-1.1马赫)内,作用在羽毛上的空气动力是这样的:但是要引起,部署。因此,低于1.4马赫的解锁会导致意外部署。

由于安全原因,最大1.8马赫存在,如果锁定机构发生故障并且羽毛保持锁定,则提供安全的中止速度。如果羽毛不解锁1.8马赫,然后飞行员不得不中止任务。

以这种速度进行流产,通过关闭火箭和最小化了车辆或远地点高度将达到,意味着他们可以减轻危害的重新手里没有羽毛。因此,如果飞行员试图在1.8马赫之前解锁,出现故障,有时间中止任务并安全地重新进入。

10月31日上午,2014,太空船二号达到0.8马赫,驾驶舱和前置摄像头和飞行数据表明,副驾驶,Alsbury,呼唤空速为“0.8马赫”1。然后他把羽毛从“锁定”“解锁”的位置。

因此,在1.4马赫时未发生解锁,但在大约0.82马赫,在跨声速范围,当空气动力采取行动部署羽毛。这些部队足以克服部署执行器的能力,解锁后迅速发生。在飞行的这一阶段,车辆受到的阻力增加,导致其失去空气动力学稳定性并断裂,它本质上是对折。

人为因素


美国国家运输安全委员会(NTSB)调查发现,副驾驶模拟器已经花了很多时间,他反复以1.4马赫的正确速度解开羽毛。那他为什么在测试中以0.82马赫开锁呢?尽管我们不可能知道为什么,NTSB标识的问题,可能影响了他的表现在10月31日。

首先,从物理的角度来看,“太空船2号”的飞行和模拟器完全不同。在实际飞行中,飞行员和副飞行员受到模拟中没有的显著的G力和振动。

其次,工作负载,这是强烈的。在短时间内,飞行员需要从记忆中执行大量任务,NTSB的结论是这样的高压环境可能产生人为错误——即使任务之前已经在模拟器中成功执行。

第三,如果羽毛没有在1.8马赫时解锁,担心不得不中止飞行任务,可能导致副驾驶提前解锁的压力。尽管这种压力,副驾驶是否没有意识到早期解锁存在灾难性失败的风险??

显而易见,缩放复合材料非常清楚在增强阶段早期部署的灾难性后果,但NTSB发现没有足够的证据来确定飞行员完全理解打开早期羽毛”的潜在后果(1)。

这提出了一个最令人困惑的问题:鉴于已知的灾难性后果,复合比例为什么不提供某种形式的自动化系统,以防止早期解锁吗?令人不安的是,NTSB会发现缩尺复合材料有限责任公司没有包括这样的系统,因为它从来没有想到这样的合格的飞行员会犯这样的错误。

NTSB调查得出这样的结论:“这次事故的可能原因是,缩尺复合材料未能考虑和防护单一人为错误可能导致对太空船2运载工具的灾难性危险的可能性。

“这个失败奠定了羽毛的副驾驶的过早释放系统由于时间压力和振动和加载,最近他没有经历过,导致uncommanded羽毛扩展和随后的气动过载和空中解体的工具”(1)。

教训


这次失败的关键教训并不新鲜。詹姆士·理智(James Reason)对此作了简明扼要的总结:犯最坏错误的往往是最好的人(4)。最小的哲学自动化设计的车辆左一个关键漏洞:没有能力阻止人为错误和管理。它首先是一个系统故障——它忽略了人类易犯的错误,不管相关人员的专业知识和经验如何,持续的威胁。

具有讽刺意味的是,这次坠毁的原因与哈特福德市中心体育场屋顶坍塌.在这种情况下,问题不在于缺乏自动化,是过度依赖自动化(以计算机软件的形式)导致了失败。

这里的关键问题是如何确保人类判断的可靠性:缺乏自动化允许不可避免的人为错误发生;但是过度的自动化会助长对系统可靠性的过度自信,并将人的直觉置于次要地位。

我想起了大卫·布鲁斯南(David Brosnan)在写到“人”在失败和失败预防中的作用(稍加修改)时所作的评论:人为错误可能是失败的最重要的原因,但是人类的判断可能是我们抵御它的最佳保障。在这两个极端之间是一条直线,我们都必须小心。

肖恩·布雷迪是布雷迪·海伍德的总经理。该公司提供法医和调查结构工程服务,专注于确定工程失败和不履行的原因。www.bradyheywood.com.au Twitter: @BradyHeywood

参考文献:
1)国家运输安全委员会(2015)航空事故报告NTSB/AAR-15/02:试飞期间的飞行中断,复合比例对太空船,N339SS,在Koehn干湖附近,加利福尼亚,10月31日,2014[在线]网址:www.ntsb.gov/./Accident././AAR1502.pdf(访问:2015年8月)
2)霍尔JL(2003)“哥伦比亚与挑战者:NASA的组织失败”,空间政策,19(4),页。239—247
3)国家运输安全委员会(2015)在NTSB理事会会议期间播放的莫哈韦附近的“太空船2”在飞行中分裂的视频,CA[.]可以在:www.youtube.com/watch获得?t=15&v=Qv8Y0aMNix8(访问:2015年8月)
4)原因JT(1990),人为错误,剑桥英国:剑桥大学出版社
5) 布雷迪。(2015年)“哈特福德体育场倒塌:为什么软件不应该仅仅是一个明智使用的工具”,,结构工程师,93(8),页。20-226)Brosnan DP(2008)“人为错误和结构工程”,结构,九月,页。46—49。

作者:肖恩·布雷迪的董事总经理布雷迪海伍德(www.bradyheywood.com.au)总部设在布里斯班,澳大利亚。该公司提供法医和调查结构工程服务,专注于确定工程失败和不履行的原因。关注推特@BradyHeywood

本文首次发表于2015年9月结构工程师,第30-32页。www.thestructuralengineer.org

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