肖恩·布雷迪探索了2014年维珍银河坠毁的教训如何与所有设计工程师相关,不管纪律
机械手

肖恩·布雷迪探索了2014年维珍银河坠毁的教训如何与所有设计工程师相关,不管纪律。

介绍


10月31日上午2014年,维珍银河二号宇宙飞船从运输工具上脱离,白骑士二号,并开始在地球大气层中进行试飞。太空船二,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,在太空船二号上飞行49小时;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:白骑士二号携带的太空飞船二

白骑士二号刚刚分离,飞船在发射火箭。增加速度,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与他的座位,被从车里。

他设法释放自己从座位上,他的降落伞打开,在14公里掉到地上他漂流的意识。他受了重伤。可悲的是,阿尔斯伯里副驾驶,死于车祸和被发现仍然限制在座位上的残骸(1)。

维珍银河系对太空的探索


到2014年底,太空船二,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;在爬太空船二号挂下(图1)。

在50岁,000英尺的东西真的很有趣。太空船二号从白骑士二号分离,由于体重减轻,白骑士二号上升并迅速脱身。在典型的飞行中,太空飞船二号由于火箭和fi res加速,几乎垂直向上转动。

它加速过去跨声速范围(0.9 - -1.1马赫)和超声波,按其两名飞行员和六名乘客座位。火箭关闭后不久,太空船二号的动力使它沿着弧线向上运动,穿过山顶或远点,在开始之前其下行轨迹。

的车辆穿越这个弧球在乘客观看下面的地球,他们解开了四分钟的失重。然后,在重力再次显现出来之前,他们系上安全带,和汽车开始加速,这就向下产生了气流。

聪明的一部分是飞船在重新进入地球大气层


真正聪明的是太空船二号重新进入地球大气层。不像NASA航天飞机或阿波罗指挥舱,重返大气层时的热量生成并不是一个严重的问题,因为SpaceShip2实际上并没有进入轨道。

确实如此,然而,必须减慢下降速度(通过产生阻力),并且需要确保它始终面向“正确的上升方向”。产生阻力,然而,是一把双刃剑:当它需要重新进入时,它需要最小化在提高阶段。太空船二号解决这种冲突通过使用羽毛系统——它改变它的形状在不同的飞行阶段。

在提高阶段羽毛仍未部署并拖动最小化,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,从而同时解决取向问题(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。控制车辆在这个阶段是非常困难的,这就是为什么只有最好的飞行员才被录取,其中许多人要么是前美国宇航局飞行员,要么是航空试验飞行员。

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,相同的格鲁曼公司建立了标志性的阿波罗登月舱,把尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林送上月球的蜘蛛车。

在太空船二号的设计中,采用的哲学之一是自动化最小化,把控制权交给飞行员。(这与美国国家航空航天局的航天飞机计划大相径庭,飞船降落在哪里完全由计算机控制——事实上,它实际上是怀疑一个人可以成功地独立航天飞机(2)。

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道也是最后一道防线。

撞车事故


10月31日上午2014年,白骑士二号搭乘宇宙飞船二号升至46号,400英尺(14)142)(1)。试验计划要求太空船二号发射火箭,然后部署它的羽毛和滑翔回宇航中心。羽毛的部署,把测试变成了悲剧。

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,然后飞行员和副飞行员通过拉动两个杠杆“展开”羽毛,这两个杠杆激活致动器,使羽毛旋转60°。然而,只有一条狭窄的窗口时,副驾驶可以解锁羽毛,这是当车辆是1.4马赫和1.8马赫之间旅行。

一旦超过1.4马赫,作用在羽毛上的空气动力阻止其展开,并且由于用于实现展开的致动器不是被设计成防止展开的,羽毛可以安全地以这种速度解锁,而不用担心羽毛无意地展开。

然而,低于1.4马赫的速度,在跨声速范围(0.9 - -1.1马赫),作用在羽毛上的空气动力是这样的:但导致,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,然后飞行员必须中止任务。

以这种速度进行流产,通过关闭火箭,将车辆达到的高度或远地点降到最低,这意味着它们可以减轻用未展开的羽毛重新进入的危险。因此,如果飞行员试图解锁之前1.8马赫,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年,太空船二号达到0.8马赫,前向驾驶舱摄像机和飞行数据表明副驾驶,阿尔斯伯里名为空速为0.8马赫的1。然后他把羽毛从“锁定”位置移到“解锁”位置。

因此,解锁不发生1.4马赫,但是大约0.82马赫,在跨音速范围内,当空气动力作用展开羽毛时。这些力量是足以克服部署执行器的容量,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,因为它基本上被折成两半。

人为因素


美国国家交通安全委员会(NTSB)的调查发现,副驾驶员在模拟器里呆了很多小时,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?虽然我们不可能确切地知道为什么,NTSB确定了一些可能影响他在10月31日表现的问题。

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,工作量很大,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得出结论,认为这种高压环境可能产生人为错误,即使任务以前成功的执行在一个模拟器。

第三,害怕不得不中止任务如果羽毛不是解锁1.8马赫副驾驶可能导致压力提前解锁。但是尽管有这种压力,副驾驶是否没有意识到早期解锁存在灾难性失败的风险?吗?

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判断飞行员是否完全理解早期解锁羽毛的潜在后果。”(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,为什么Scaled Composites不提供某种形式的自动化系统来防止早期解锁?令人不安的是,NTSB会发现复合比例LLC不包括这样一个系统,因为它根本不会设想这样的合格飞行员会犯这样的错误。

NTSB的调查得出的结论是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。

“由于时间压力、振动和载荷,副驾驶过早地解锁了羽毛系统,而这些是他最近没有经历过的。导致无人驾驶的羽毛伸展和随后的空气动力过载和飞行器在飞行中解体(1)。

教训


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:它通常是最好的人最严重的错误”(4)。在车辆设计中,最小自动化的哲学留下了一个关键的弱点:没有能力防止和管理人为错误。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,这是一个过度依赖自动化(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。在这两个极端之间有一条我们都必须遵守的底线。

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性结构工程服务,并专门确定工程故障和不性能的原因。www.bradyheywood.com.au Twitter: @BradyHeywood

引用:
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,缩尺复合材料太空船二N33 9SS在Koehn干湖附近,加州,10月31日,2014[在线]网址:www.ntsb.gov/./Accident././AAR1502.pdf(访问:2015年8月)
2)大厅杰(2003)的哥伦比亚和挑战者:NASA的组织失败,空间政策,19(4),聚丙烯。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S(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),聚丙烯。- 6)布鲁斯南DP(2008)“人为错误和结构工程”,结构,九月,聚丙烯。46—49。

作者:肖恩·布雷迪是布雷迪·海伍德(Brady Heywood)公司的董事总经理。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性结构工程服务,并专门确定工程故障和不性能的原因。关注推特@BradyHeywood

这篇文章最初发表在2015年9月结构工程师,30 -页。www.thestructuralengineer.org

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肖恩·布雷迪探索了2014年维珍银河坠毁的教训如何与所有设计工程师相关,不考虑纪律。10月31日上午介绍,2014年,维珍银河二号宇宙飞船从运输工具上脱离,白骑士二号,并开始在地球大气层中进行试飞。太空船二,一个可重用的亚轨道……