Amikor a NASA elveszített egy űrhajót egy metrikus matematikai hiba miatt

2020. március 10

kb. olvasási idő

1999 szeptemberében, majdnem tíz hónapos Mars-utazás után a Mars éghajlatváltó égett és darabokra tört. Egy napon, amikor a NASA mérnökei ünneplésre számítottak, a földi valóság teljesen másnak bizonyult, mindez azért, mert valaki nem használta a megfelelő egységeket, vagyis a metrikus egységeket! A Scientific American Space Lab rövid, de érdekes videót készített erről a témáról.

A NASA elveszett űrhajója A metrikus rendszer és a NASA Mars éghajlatváltozója

A 125 millió dolláros áron épített Mars Climate Orbiter egy 338 kilogrammos robotszonda volt, amelyet a NASA 1998. december 11-én indított a marsi éghajlat, a marsi légkör és a felszíni változások tanulmányozására. Ezenkívül feladata az volt, hogy kommunikációs közvetítőként működjön a Mars Surveyor ’98 programban a Mars Polar Lander számára. A Jet Propulsion Laboratory (JPL) navigációs csapata a milliméteres és méteres metrikus rendszert használta a számításai során, míg a coloradói Denverben található Lockheed Martin Astronautics, amely az űrhajót tervezte és építette, döntő gyorsulási adatokat szolgáltatott az angol hüvelyk-rendszerben, láb és font. A JPL mérnökei nem vették figyelembe, hogy az egységeket átszámították, vagyis az angol egységekben font-másodperc ^ 2-ben mért gyorsulási értékeket egy newton-másodperc ^ 2 nevű metrikus erőméréshez. Bizonyos értelemben az űrhajó fordításban elveszett.

A művész elképzelése a Mars Climate Orbiterről. Forrás: NASA/JPL/Corby Waste - http://www.vitalstatistics.info/uploads/mars%20climate%20orbiter.jpg (lásd még: http://www.jpl.nasa.gov/pictures/solar/mcoartist.html ), Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=390903

Mielőtt tovább merészkednénk azon a rettegett napon történteken, próbáljuk megérteni a különböző mértékegységeket és azt, hogy ezek hogyan kerültek alkalmazásra a világ különböző régióiban. Korábban a világ különböző régiói követték a számukra legkényelmesebb mérőrendszereket és egységeket. Például a világ egyik részén a nap körforgását feltételezték az idő mértékének, míg másutt a holdciklusokat használták az idő meghatározására. Ezenkívül a kommunikációs eszközök hiánya megakadályozta a tudósokat abban, hogy világszerte kommunikáljanak, megvitassák és összehasonlítsák ötleteiket a tudósokkal. Így az évszázadok során a különböző mértékegységek és mérési standardok egymástól függetlenül fejlődtek.

Ahogy a világ egyre szorosabbá vált, megjelent az egységes egységes egységrendszer iránti igény. A metrikus rendszer számos fejleményének tulajdonítható a francia forradalom idejére, amikor azt először elképzelték. Ezt követően a párizsi Archives de la République-ban két platina standardot hoztak létre, amely a mérőt és a kilogrammot képviseli. Ez tekinthető az egységek jelenlegi nemzetközi rendszerének fejlesztésének első lépésének.

A francia forradalmat követően Johann Carl Fredrich Gauss német matematikus határozottan támogatta ennek a metrikus rendszernek a használatát. A méterek és a kilogrammok mellett hozzáadta a csillagászatban meghatározott „másodperceket”, mint a fizikai tudományok összefüggő egységrendszerét. James Clerk Maxwell és Sir Joseph John Thomson a British Association for the Advancement of Science (BAAS) révén továbbvitték Gauss kezdeményezését, hogy megfogalmazzák az alapegységekkel és a származtatott egységekkel rendelkező egységek koherens rendszerének követelményét. A CGS rendszer, egy háromdimenziós koherens egységrendszer, amely a három egységen alapul - centiméter, gramm és másodperc -, a mikrótól a megaig terjedő előtagokat használva tizedes rész- és többszörösek kifejezésére, erőfeszítéseik miatt alakult ki. 1889-ben az első Általános Súly- és Mérlegkonferencia (CGPM) szankcionálta a mérő és a kilogramm nemzetközi prototípusait. A csillagászati másodperccel mint időegységgel együtt ezek az egységek háromdimenziós mechanikai egységrendszert alkottak, akárcsak a CGS-rendszert, de az alapegységek méter, kilogramm és másodperc.

Giovanni Giorgi olasz fizikus és villamosmérnök bizonyította, hogy lehetséges kombinálni ennek a méter-kilogramm-másodperces rendszernek a gyakorlati elektromos egységekkel egyetlen koherens négydimenziós rendszert, a háromhoz hozzáadva. alapegységek, egy negyedik elektromos jellegű alapegység, például amper vagy ohm, és az elektromágnesességben előforduló egyenletek átírása úgynevezett racionalizált formában. E fejleményeket követõen 1939-ben a mérõ, kilogramm, másodperc és amper alapú négydimenziós rendszert ajánlották a Villamosenergia- és Mágnesügyi Tanácsadó Bizottságnak (CCEM), és a Nemzetközi Súly- és Mérõbizottság (rövidítve CIPM a francia Comité international des poids et mesures) 1946-ban. Következésképpen 1954-ben alapegységként Ampere, Kelvin és Candela, 1971-ben pedig a 7. alapegységként Mole került hozzá. Ma hét alapegység létezik: Meter (Távolság), Kilogramm (Súly), Másodpercek (Idő), Ampere (Elektromos Áram), Kelvin (Hőmérséklet) és Candela (Fényerő).

Tanulja meg, hogyan kell használni a CFD szimulációt az F1 autó körüli légáramlás viselkedésének megértéséhez.

"/>

USA és a NASA SI az Egyesült Államokban

Ha valaki az Egyesült Államokba utazik, azonnal észreveszi ezeket a változásokat; vannak kilométerek helyett kilométerek, kilók helyett fontok stb. Életem csaknem 22 éve használtam kilogrammokat, és amikor az Egyesült Államokba mentem, a „font” teljesen új volt számomra. Bár meg tudtam jósolni, mennyit fogok kapni, ha megveszek egy kilogramm tárgyat, nem tudtam, mit jelent egy font. Az USA továbbra is azon hét ország egyike, ahol az SI egységeket nem alkalmazzák.

A távolság hüvelykben, lábban és yardban mérésének amerikai rendszere az angliai egységeken alapszik, ahonnan az első telepesek az Egyesült Államokba érkeztek a Mayflowerről. Míg a világ többi részének nagy része a centiméterek, méterek és kilométerek metrikus rendszerét használja, az Egyesült Államok folytatta az angol egységeket. Az egyik láb megegyezik 12 hüvelykkel, az udvar pedig 36 hüvelyk - és a zavar továbbra is fennáll. Metrikában 1 méter 100 centiméter, egy kilométer 1000 méter. Ma azonban tagadhatatlan, hogy nagyszámú multinacionális és nemzetközi vállalkozás dolgozik együtt az Egyesült Államokkal és/vagy az Egyesült Államokban. Ez még fontosabbá teszi a közös mértékegységek használatát.

A metrikus rendszer elsöprő előnyeit felismerve az Egyesült Államok Kongresszusa 1975-ben az SI egységeket választotta előnyben részesített mérési rendszerként a „Metrikus konverziós törvény” révén, amelyet Gerald Ford amerikai elnök írt alá. A törvény azonban lehetővé tette az Egyesült Államok szokásos egységeinek használatát is. Az 1980-as években a szövetségi kormány megpróbálta bevezetni a metrikát az Egyesült Államokban. Az akkori autók sebességmérői mind mérföldeket óránként, mind kilométereket mutattak óránként. Ezek a metrikusra váltási kísérletek azonban nem jártak sikerrel.

Annak ellenére, hogy az Egyesült Államok Kongresszusa elfogadta az SI-t az Egyesült Államok számára preferált mérési rendszerként, a vállalkozások túlnyomó többsége továbbra is az Egyesült Államokban szokásos mértékegységeket használta. Ez a metrikával szembeni fenntartás azonban szinte azonnal megváltozott, legalábbis a világ legjobb űrügynökségénél 1999-ben. Ez a változás azután következett be, hogy egy katasztrófavédelmi bizottság arról számolt be, hogy a NASA Mars Climate Orbiter égett a marsi légkörben.

A NASA elveszett űrhajója A NASA Mars Climate Orbiter katasztrófája

Egy Boeing Delta II 7425 fogyasztható hordozórakéta felszáll a NASA Mars Climate Orbiter készülékével 1998. december 11-én.

A NASA áttekintő bizottsága megállapította, hogy a probléma a keringő tolóerőit vezérlő szoftverben volt. A szoftver kiszámította azt az erőt, amelyre a tolóerőnek font fontban volt szüksége. Egy második kóddarab, amely ezeket az adatokat olvasta, feltételezte, hogy a metrikus egységben van - „newton négyzetméterenként”.

A tervezési szakaszban a coloradói Lockheed Martin hajtómérnökei fontban fejezték ki az erőt. Szokásos gyakorlat volt azonban metrikus egységekké történő átszámítás űrmissziókra. A NASA Jet Propulsion Lab mérnökei feltételezték, hogy megtörtént az átalakítás. Ez a navigációs szerencsétlenség veszélyesen közelítette az űrhajót a bolygó légköréhez, ahol feltehetően égett és darabokra tört, megölték a küldetést egy olyan napon, amikor a mérnökök azt várták, hogy megünnepeljék a hajó Mars pályájára lépését.

A katasztrófához vezető tényezők nyolcszorosak voltak, amint azt a Mars Climate Orbiter meghibásodási táblája közölte. A NASA igazgatósága szerint hibákat nem fedeztek fel a földi számítógépes modelleken belül arról, hogy miként jósolták meg az űrhajó kisméretű lövöldözését, majd hajtották végre az űrhajón a bolygóközi Mars-útja során. Ezenkívül a testület hozzátette, hogy az operatív navigációs csapat nem volt teljes körűen tájékoztatva arról, hogy a Mars Climate Orbiter hogyan mutatkozott meg az űrben, összehasonlítva a korábbi Mars Global Surveyor misszióval.

A kezdeti hibát a coloradói Lockheed Martin Astronautics vállalkozó követte el, amely az Egyesült Államok többi indítóiparához hasonlóan angol méréseket használt. A vállalkozónak megegyezés alapján a méréseit metrikává kellett konvertálnia. A projekten belüli rendszermérnöki funkció, amelynek feladata a misszió összes összekapcsolt aspektusának nyomon követése és ellenőrzése volt, nem volt elég robusztus. A testület hozzátette, hogy ezt súlyosbította az az eset, amikor egy Mars által összekötött űrhajót először adtak át egy csoporttól, amely megépítette és egy új, több missziót folytató műveleti csapatnak indította.

01. ábra: Újságkarikatúra, amely a NASA és a Lockheed Martin tudósai által használt egységek inkongruenciáját ábrázolja, ami a Mars Climate Orbiter katasztrófához vezetett. (Forrás: Slideplayer.com)

A NASA téves számításai Konverziós hibák egyéb előfordulásai

Gimli Vitorlázó

Nem ez volt az egyetlen katasztrófa a történelemben, amelyet közvetlenül konverziós hibák okoztak. 1983 híres a „Gimli Glider” incidensről, amelyben az Air Canada Boeing 767 típusú repülőgépe üzem közben elfogyott az üzemanyagból, mert hiba történt, amikor metrikus mérések alapján számolták ki a légitársaság első repülőgépének üzemanyag-ellátását.

Kanada egyike volt azoknak az országoknak, amelyek a birodalmi rendszert 1970-ig alkalmazták, amikor a nemzet elkezdett áttérni a metrikára. A mérés (ahogy hívták) némi időt vett igénybe - körülbelül tizenöt vagy több évig. Az egyik olyan iparág, amely későn váltott át, a légitársaság volt, ami főleg a berendezések költségeinek és hosszú élettartamának tudható be.

A repülés repülésenkénti feltöltési protokollja, amely a térfogat (liter) tömeggé (kilogramm vagy font, a használt rendszertől függően) való átszámításához szükséges a szükséges üzemanyag mennyiségének becsléséhez. Ahelyett, hogy kitalálta volna, hány literre van szüksége a repülőgépnek a szükséges 22 300 kg hasznos teher eléréséhez, a legénység kiszámította, hány literre van szükség 22 300 font eléréséhez. Ez fele volt a szükséges üzemanyagmennyiségnek, ami azt jelentette, hogy a járatnak csak annyi volt az üzemanyaga, hogy a cél feléig érjen. Ez súlyos - és potenciálisan életveszélyes - problémának bizonyult, mivel a szóban forgó jármű egy repülőgép volt, amely a föld felett 12 500 méter magasan cirkált.

A fedélzeten tartózkodó mindenki számára szerencsére a pilóta tízéves vitorlázórepülő edzéssel rendelkezett az övében, másodpilótája pedig elég jól ismerte a környéket. A hozzáértő pár képes leszállni a 767-esre - az utolsó 100 kilométert siklva biztosította mindenki biztonságát a fedélzeten.

Kevésbé ismert események

Számos kevésbé ismert előfordulás történt a konverziós baleseteknél. A Biztonságos Gyógyszergyakorlatok Intézete beszámolt egy esetről, amikor a beteg 0,5 gramm helyett 0,5 gramm fenobarbitált (nyugtatót) kapott, mivel az ajánlást rosszul olvasták. A szem egy mértékegység, amely körülbelül 0,065 gramm. Az intézet hangsúlyozta, hogy a gyógyszerek felírásához csak a metrikus rendszert szabad használni.

Egy másik eseményben egy repülőgép több mint 13 000 kilogramm volt túlsúlyos. 1994-ben az FAA névtelen tippet kapott arról, hogy egy American International Airways (ma Kalitta Air, teherszállító légitársaság) járata 15 tonnával nehezebb leszállt, mint kellett volna. Az FAA megvizsgálta és felfedezte, hogy a probléma egy kilogramm font font konverzióban volt (vagy annak hiánya).

Végül érdemes megemlíteni, hogy még Kolumbusznak is voltak konverziós problémái. Tévesen számolta ki a föld kerületét, amikor római mérföldeket használt tengeri mérföldek helyett, ez annak az oka, hogy 1492. október 12-én váratlanul a Bahama-szigetekre került, és feltételezte, hogy Ázsiába ütközött.

A NASA elveszett űrhajója Következtetés: Egységek a FEM-ben

Mint észrevette volna, a FEM szoftver használatakor nincsenek előre definiált egységek. A felhasználó feladata annak biztosítása, hogy a megfelelő konjugátumokat használják. Ha a hosszúsághoz használt egység méter, akkor a mechanikai egységek egyéb szempontjainak megfelelő egységek kilogramm és másodperc. Ezzel szemben, ha az egységek milliméterek, akkor a megfelelő egységek milligrammok és milliszekundumok stb. Minden alkalommal, amikor a szimulációk beállítására gondol, el kell gondolkodnia az egységeken!

02. ábra: A FEM-szimulációkban alkalmazandó konzisztens egységek (Forrás: Eng-Tips)

Ha FEA vagy CFD szimulációs szoftvert használ, vegye figyelembe, hogy a piacon nem minden megoldás kínálja a metrikus és a birodalmi egységeket egyaránt. Annak érdekében, hogy felhasználóink elkerüljék a tervezési hibákat, a SimScale mind a metrikus, mind az angolszász rendszereket támogatja, amelyet a szimuláció létrehozásának első lépésében választott. Csak annyit kell tennie, hogy megbizonyosodjon arról, hogy munkatársai ugyanazt a rendszert használják.

Állítsa be saját szimulációját weben keresztül percek alatt egy ingyenes fiók létrehozásával a SimScale platformon. Nincs szükség telepítésre, speciális hardverre vagy hitelkártyára.

A metrikus matematikai hiba elhallgatta a Mars meteorológiai misszióját vezetékes úton
Mars éghajlatváltozás a Wikipédián
A NASA metrikus zavara okozta a Mars keringőjének veszteségét a CNN által
A Mars szonda elveszett az LA Times egyszerű matematikai hibája miatt
A Mars-szondát elrontó matematikai hiba 1999-ben a népszerű mechanikában
A NASA bírálta, hogy a New Scientist ragaszkodott a birodalmi egységekhez
A NASA a Mars Fiasco by Nature után dolgozza fel összegeit

Legyen naprakész, és soha ne hagyjon ki egy cikket!

A „Regisztráció” gombra kattintva elfogadom a SimScale adatvédelmi irányelveit

További információ:

Legfrissebb blogbejegyzések

A központod mindenhez, amiről tudnod kell
szimuláció és a CAE világa