10 март 2020 г.

приблизително време за четене

През септември 1999 г., след почти 10 месеца пътуване до Марс, климатичният орбит на Марс изгоря и се счупи на парчета. В ден, когато инженерите на НАСА очакваха да празнуват, наземната реалност се оказа напълно различна, всичко защото някой не успя да използва правилните единици, т.е. метричните единици! Научната американска космическа лаборатория направи кратко, но интересно видео по тази тема.

Изгубеният космически кораб на НАСА Metric System и Mars Climate Orbiter на НАСА

Mars Climate Orbiter, построен на цена от 125 милиона долара, е 338-килограмова роботизирана космическа сонда, пусната от НАСА на 11 декември 1998 г. за изследване на марсианския климат, марсианската атмосфера и повърхностните промени. В допълнение, нейната функция беше да действа като комуникационно реле в програмата Mars Surveyor ‘98 за Марс Полярен десант. Навигационният екип в Jet Propulsion Laboratory (JPL) използва метричната система от милиметри и метри при своите изчисления, докато астронавтиката Lockheed Martin в Денвър, Колорадо, която проектира и построи космическия кораб, предостави решаващи данни за ускорението в английската система от инчове, крака и килограми. Инженерите на JPL не взеха предвид, че мерните единици са преобразувани, т.е. показанията на ускорението, измерени в английски единици паунд-секунди ^ 2 за метрична мярка на сила, наречена нютон-секунди ^ 2. В известен смисъл космическият кораб се загуби в превода.

наса
Концепцията на художника за Марс климатичен орбитър. Източник: NASA/JPL/Corby Waste - http://www.vitalstatistics.info/uploads/mars%20climate%20orbiter.jpg (вижте също http://www.jpl.nasa.gov/pictures/solar/mcoartist.html ), Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=390903

Преди да се впуснем по-нататък в това, което се е случило в онзи ужасен ден, нека се опитаме да разберем различните мерни единици и как те са влезли в употреба в различни региони по света. В миналото различни региони на света са следвали измервателните системи и единици, които са били най-удобни за тях. Например, в една част на света цикълът на слънцето се приема за мярка на времето, докато другаде лунните цикли са били използвани за определяне на времето. Освен това липсата на средства за комуникация попречи на учените да общуват, обсъждат и сравняват идеи с учени по целия свят. По този начин в продължение на векове различни единици и стандарти за измерване са се развивали независимо.

С приближаването на света се появи нуждата от единна единна система от единици. Кредитът за няколко разработки в метричната система може да бъде датиран още от френската революция, когато тя беше предвидена за първи път. Впоследствие са създадени два платинени стандарта, представящи метъра и килограма в Archives de la République в Париж. Това може да се счита за първата стъпка от развитието на настоящата Международна система от единици.

След френската революция Йохан Карл Фредрих Гаус, немски математик, силно насърчава използването на тази метрична система. Наред с метри и килограми, той добави и „секундите“, дефинирани в астрономията, като последователна система от единици за физическите науки. Джеймс Клерк Максуел и сър Джоузеф Джон Томсън, чрез Британската асоциация за развитие на науката (BAAS), предадоха инициативата на Гаус за формулиране на изискването за съгласувана система от единици с базови единици и производни единици. Системата CGS, триизмерна кохерентна единична система, базирана на трите единици - сантиметър, грам и секунда - използваща префикси, вариращи от микро до мега, за да изразява десетични подмножители и кратни, се появи поради техните усилия. През 1889 г. първата Генерална конференция за теглилки и мерки (CGPM) санкционира международните прототипи за метъра и килограма. Заедно с астрономическата секунда като единица за време, тези единици съставляват триизмерна механична единична система, точно като системата CGS, но с базовите единици като метър, килограм и секунда.

Именно Джовани Джорджи, италиански физик и електроинженер, доказа, че е възможно да се комбинират механичните възли на тази система метър-килограм-втора с практичните електрически единици, за да се образува една единна кохерентна четиримерна система, като се добавят към трите базови единици, четвърта базова единица от електрическо естество, като ампер или ом, и пренаписване на уравненията, възникващи в електромагнетизма, в така наречената рационализирана форма. След тези разработки през 1939 г. четириизмерната система, базирана на метър, килограм, секунда и ампер, е препоръчана на Консултативния комитет за електричество и магнетизъм (CCEM) и е одобрена от Международния комитет за тегла и мерки (съкратено CIPM от френският комитет за международни дегистрации) през 1946 г. След него, Ампер, Келвин и Кандела са добавени като базови единици през 1954 г., а Мол е добавен като 7-ма базова единица през 1971 г. Днес има седем базови единици: метър (Разстояние), килограм (тегло), секунди (време), ампер (електрически ток), келвин (температура) и кандела (светимост).

Научете как да използвате CFD симулация, за да разберете поведението на въздушния поток около автомобил F1.

"/>

САЩ и НАСА SI в САЩ

Ако човек пътува до САЩ, веднага ще забележи тези промени; има километри вместо километри, лири вместо килограми и т.н. Почти 22 години от живота си бях употребявал килограми и когато отидох да живея в САЩ, „лирата“ беше напълно нова за мен. Макар да можех да предскажа колко ще получа, ако си купя килограм вещ, нямах представа какво означава един паунд. САЩ остават една от само седемте държави, в които не се приемат единици SI.

Американската система за измерване на разстоянието в инчове, фути и ярдове се основава на мерните единици от Англия, откъдето първите заселници дойдоха в САЩ от Mayflower. Докато голяма част от останалия свят използва метричната система от сантиметри, метри и километри, САЩ продължи да използва английските единици. Един крак е същият като 12 инча, а двор е 36 инча - и объркването продължава. В метрични стойности 1 метър е 100 сантиметра, а километър 1000 метра. Днес обаче е неоспоримо, че голям брой мултинационални компании и международен бизнес работят с и/или в Съединените щати. Това прави още по-важно възможността да се използват общи мерни единици.

Разбирайки непреодолимите предимства на метричната система, Конгресът на САЩ приема единици SI като предпочитана система за измерване през 1975 г. чрез „Закона за метрично преобразуване“, подписан от американския президент Джералд Форд. Законът обаче позволява и използването на американски обичайни единици. Освен това, през 80-те години, федералното правителство се опита да въведе метрика в Съединените щати. Скоростомерите на автомобилите от онова време показват както мили в час, така и километри в час. Тези опити за преминаване към метрични обаче не бяха успешни.

Въпреки че Конгресът на САЩ прие SI като предпочитана измервателна система за Съединените щати, по-голямата част от бизнеса продължи да използва обичайните американски единици. Тази резерва срещу метриката обаче се промени почти мигновено, поне в най-добрата космическа агенция в света през 1999 г. Тази промяна настъпи, след като борда за разследване на бедствия съобщи, че Mars Climate Orbiter на НАСА изгаря в атмосферата на Марс.

Изгубеният космически кораб на НАСА Катастрофата на Марс за климатичния орбита на НАСА

Ракета-носител Boeing Delta II 7425 се издига с орбиталния апарат Mars Climate Orbiter на НАСА на 11 декември 1998 г.

Съвет за преглед на НАСА установи, че проблемът е в софтуера, контролиращ тласкачите на орбита. Софтуерът изчислява силата, която тласкачите трябва да упражнят в килограми сила. Второ парче код, което прочете тези данни, предполагаше, че е в метричната единица - „нютони на квадратен метър“.

По време на фазата на проектиране инженерите на задвижване в Lockheed Martin в Колорадо изразиха сила в лири. Стандартната практика обаче беше да се преобразуват в метрични единици за космически мисии. Инженери от лабораторията за реактивно задвижване на НАСА предположиха, че преобразуването е извършено. Тази навигационна злополука избута космическия кораб опасно близо до атмосферата на планетата, където вероятно изгоря и се счупи на парчета, убивайки мисията в ден, когато инженерите очакваха да отпразнуват влизането на кораба в орбитата на Марс.

Допринасящите фактори, довели до катастрофата, както се съобщава от борда на Mars Climate Orbiter, бяха осем пъти. Според борда на НАСА не са били открити грешки в наземните компютърни модели на това как са били предсказвани и след това извършени малки изстрели на космическия кораб по време на неговото междупланетно пътуване до Марс. Освен това бордът добави, че оперативният екип за навигация не е бил напълно информиран за подробностите относно начина, по който Mars Climate Orbiter е бил насочен в космоса, в сравнение с по-ранната мисия на Mars Global Surveyor.

Първоначалната грешка е направена от изпълнителя на астронавтика Lockheed Martin в Колорадо, който, подобно на останалата част от американската индустрия за изстрелване, използва английски измервания. По договаряне изпълнителят трябваше да преобразува своите измервания в метрични стойности. Функцията на системното инженерство в рамките на проекта, чиято отговорност беше да проследява и проверява двойно всички взаимосвързани аспекти на мисията, не беше достатъчно стабилна. Управителният съвет добави, че това се влошава от първата предаване на космически кораб, обвързан с Марс, от група, която го е конструирала и го е пуснала на нов екип с много мисии.

Фигура 01: Карикатура във вестник, изобразяваща несъответствието в единиците, използвани от учените от НАСА и Lockheed Martin, които са довели до катастрофата на Марс Климат Орбитър. (Източник: Slideplayer.com)

Грешките на НАСА Други случаи на грешки при преобразуване

Gimli Glider

Това не беше единственото бедствие в историята, което беше пряко причинено от грешки при преобразуването. 1983 г. е известен с инцидента с „Gimli Glider“, при който самолетът на Boeing 767 на Air Canada свърши с гориво в средата на полета поради грешка при определянето на доставките на гориво на първия самолет на авиокомпанията с помощта на метрични измервания.

Канада е една от страните, които използват имперската система до 1970 г., когато нацията започва да преминава към метрична. Измерването (както го наричаха) отне известно време - около петнадесет години или повече. Една от индустриите, които закъсняха да се сменят, беше авиокомпанията, което се дължи главно на разходите и дълголетието на оборудването.

Протоколът за зареждане с гориво за всеки полет, необходим за преобразуване на обема (литри) в маса (килограми или лири, в зависимост от използваната система), за да се изчисли необходимото количество гориво. Вместо да разбере колко литра са необходими на самолета, за да достигне необходимия полезен товар от 22 300 кг, екипажът изчисли колко литра са необходими, за да удари 22 300 паунда. Това беше половината от необходимото количество гориво, което означаваше, че полетът имаше само достатъчно гориво, за да стигне до половината път до дестинацията. Това се оказа основен - и потенциално животозастрашаващ - проблем, тъй като въпросното превозно средство беше самолет, плаващ на 12 500 метра над земята.

За щастие на всички на борда, пилотът имаше десет години обучение на планер под колана си и вторият му пилот познаваше околностите доста добре. Квалифицираната двойка успя да кацне 767 - плъзгайки последните 100 километра, гарантирайки безопасността на всички на борда.

По-малко известни инциденти

Има няколко по-малко известни случая на премеждия при преобразуване. Институтът за безопасни медикаментозни практики съобщава за случай, при който пациент е получил 0,5 грама фенобарбитал (успокоително) вместо 0,5 зърна, тъй като препоръката е била разчетена погрешно. Зърното е мерна единица, равна на около 0,065 грама. Институтът подчерта, че само метричната система трябва да се използва за предписване на лекарства.

В още едно събитие самолетът е с повече от 13 000 килограма с наднормено тегло. През 1994 г. FAA получи анонимен съвет, че полет на American International Airways (сега Kalitta Air, товарна авиокомпания) е кацнал с 15 тона по-тежко, отколкото би трябвало. FAA разследва и открива, че проблемът е в преобразуване в килограми в килограми (или липсата му).

И накрая, заслужава да се спомене, че дори Колумб е имал проблеми с преобразуването. Погрешно е изчислил обиколката на земята, когато е използвал римски мили вместо морски мили, което е част от причината той неочаквано да се озове на Бахамите на 12 октомври 1492 г. и да предположи, че е ударил Азия.

Изгубеният космически кораб на НАСА Заключение: Единици в МКЕ

Както човек би забелязал, няма предварително дефинирани единици при използване на FEM софтуер. Потребителят е оставен да гарантира, че се използват десните конюгати. Ако единицата, използвана за дължина, е метър, тогава правилните единици за други аспекти на механичните единици са килограм и секунди. За разлика от това, ако мерните единици са милиметри, тогава правилните единици са милиграми и милисекунди и т.н. Всеки път, когато мислите за настройка на симулациите, трябва да помислите единиците!

Фигура 02: Съвместими единици, които да се използват при симулации на МКЕ (Източник: Eng-Tips)

Когато използвате софтуер за симулация на FEA или CFD, имайте предвид, че не всички решения на пазара предлагат както метрични, така и имперски единици. За да помогне на нашите потребители да избегнат грешки в дизайна, SimScale поддържа както метричните, така и имперските системи, които вие избирате в първата стъпка от създаването на вашата симулация. Всичко, което трябва да направите, е да се уверите, че вашите сътрудници използват същата система.

Настройте своя собствена симулация чрез мрежа за минути, като създадете безплатен акаунт в платформата SimScale. Не се изисква инсталиране, специален хардуер или кредитна карта.

  • Metric Math Mistake Muffed Mars Meteorology Mission by Wired
  • Марс климатичен орбитър в Уикипедия
  • Месическото объркване на НАСА доведе до загуба на орбита на Марс от CNN
  • Марсовата сонда е загубена поради проста математическа грешка от LA Times
  • Грешката по математика, която обрече сонда на Марс през 1999 г. в Popular Mechanics
  • НАСА разкритикува, че се придържа към имперските единици от New Scientist
  • НАСА преработва своите суми след Марс Фиаско от природата

Бъдете актуални и никога не пропускайте статия!

С натискането на „Регистрация“ приемам Декларацията за поверителност на SimScale

Прочетете повече за:

Последни публикации в блога

Вашият център за всичко, за което трябва да знаете
симулация и света на CAE