我们人类从我们记得的时候就把脸转向了天空——毫无疑问是在我们在洞穴里画动物和学会生火的同时。几千年后，我们正站在人类历史上一个不可思议的时刻我们成功地将自己制造的生物登陆另一个星球:漫游者号。在火星上。
要大胆地去没有两足动物(或机动太空飞行器)去过的地方，不仅在地球上，而且在计划、测试、操作和后勤方面都需要沉重的负担在那里．
我们采访了纳金·考克斯(Nagin Cox)，他是美国国家航空航天局(NASA)“好奇号”(Curiosity)任务的航天器系统工程师，讲述了开发、准备和操作火星探测器任务的乐趣、挑战和艰难现实。
美国宇航局的授权
NASA不是初创企业。这个政府机构已经存在了58年，它不打算扰乱成熟的市场，也不打算像强盗一样通过刚刚启动的首次公开募股(IPO)赚钱。纳金解释说，美国国家航空航天局的任务一直有三个方面的要求:
- 来了解我们的星球
- 来确定其他行星上是否有生命
- 将人类的存在延伸到地球之外
“有一种叫做十年调查的东西，”她说，“它是由一个非常杰出的科学家组成的委员会为NASA做的。”他们每十年聚在一起做一次调查。它们决定了最重要的勘探目标是什么。几十年来，从火星带回真正的样本与探索太阳系外卫星如木卫二和土卫六之间一直是最大的冲突之一。考虑到美国有限的预算，这是一个挑战!”
一旦探索目标确定，NASA就会将具体任务分为“直接任务”和“竞争性任务”。“‘定向’任务是指NASA决定哪个NASA中心将主要负责，而‘竞争性’任务是开放的，科学家、大学、NASA中心和商业公司之间的合作。”例如，“火星2020”任务是一个定向任务，它发射了正在探索火星的“好奇号”漫游者。
“从这些科学目标中，”纳金继续说道，“我们需要的计算机系统、航空电子设备、高度控制、仪器套件、降落伞等等——以及它们之间的接口。当然，我们还需要考虑一旦发射我们将如何操作任务，以达到任务目标的方式。这个过程的一部分是评估从以前的任务中吸取的教训。这是任务规划。”
为未知做准备
任何设计新产品或新技术的人都面临着许多已知和未知的未知:我们的技术真的能做到它应该做到的——改善生活/效率/性能吗?我们的硬件有哪些可能的损坏方式?那些我们甚至不知道会发生的事情呢?
“你必须考虑所有未知的未知。”
但当你开发一个机器,应该通过地球的大气层和重力打破障碍,穿过空间的真空,土地(安全)在另一个星球的表面,并执行各种操作的几年中,这些问题有减肥的更大的风险。
“这确实很难，”纳金表示赞同。这是一种技能。你必须考虑所有未知的未知数。”
每一个喷气推进实验室(NASA喷气推进实验室，简称JPL)的人都把这种能力植入了他或她的“任务DNA”中，即“思考你不知道的事情，并为你不知道的事情留有余地”。我们来自学术界，所以这就像在整个任务中多次读博士论文。这是我们文化中很艰难的一部分，但它在假设、压力测试、过度考虑失败场景、利润和不确定性方面非常强大。”
纳金回忆了2004年勇气号火星车登陆火星的情景。
“勇气号在着陆后的最初几天里，它的闪存有一个问题。我们的恢复在很大程度上取决于首席软件工程师，他很有远见地创建了一个进入闪存的后门。他并没有设想出一个非常合理的场景，但他还是做好了准备。”
侦察和模拟是NASA的市场研究
尽管太空中存在着巨大的奥秘，但NASA确实知道并可以为之做好准备，这要归功于数十年的侦察任务和模拟。
“一般来说，”纳金解释说，“我们会在任务的早期阶段进行一次飞越，字面上就是飞过并拍照。然后我们发射一个轨道飞行器到行星系统中一段时间，绘制它的地图，了解这个区域的情况，然后我们甚至可以考虑着陆。你需要有足够的数据来选择你想要降落的地方，以及地形。”
最重要的是，Nagin补充道，即使一个任务正在大量开发或可能已经启动，另一个团队已经在考虑下一个任务，它将基于当前任务的发现和结果。这些人是“概念化的人”。
“你越少做以前从未做过的事情，你成功的机会就越大。”
模拟与侦察任务密切相关。纳金说:“我们做了震动测试，模拟发射时的压力。“我们有模拟太阳光线的大型环境试验室，为我们提供与外层空间相同的热环境。我们把雷达拿到了爱德华兹空军基地的沙漠，那里的飞行员让它们以高速飞向地面，模拟进入。”
“对于进入、下降和着陆，我们进行了大量的模拟，比如非常昂贵的降落伞降落测试。我们在每次任务中都在风室中测试降落伞，但飞行测试要昂贵得多，而且更定期。”
简而言之，Nagin表示:“我们尽最大努力拼凑出游戏发行后的样子，并尽量从预算角度保持合理。当然，我们从以前的任务中吸取了很多教训——我们尽可能地利用所有的成像和遥测技术以及从那些任务中获得的其他信息。这是科学和数据之间的平衡。”
在降落伞上迭代
一个很好的例子是NASA在其火星任务的任何技术方面反复进行的，那就是着陆机制。
“你以为你了解降落伞的行为，”纳金笑着说，他指的是帮助火星车在火星表面着陆的大型降落伞。“然后，在下一次任务中，降落伞总是失败。它们与火星大气相互作用的方式每次都不一样——考虑到它们的体积、组成材料，也许它们的形状也不同。然后是漫游者本身，每次任务都不一样。”
她分享了“好奇号”的情况，“下降台上的推进器倾斜到了某个角度。但随着我们做了更多的模拟，我们意识到，考虑到大气层、速度，以及在下降过程中探测器在降落伞绳上摇摆的各种方式，我们面临着推进器残留物污染甲板的风险。所以我们不得不重新设计它们。”
下面是一段简短的视频，总结了好奇号进入/体面/着陆系统背后令人难以置信的工程原理:
“好奇号”的整个进入/下降/着陆系统当然是非常创新的，纳金说，但更大的目标是提高美国宇航局发射更大任务的能力，并实现这些十年的科学目标。
“你越少做以前从未做过的事情，你成功的机会就越大。”因此，这一切往往是渐进式的，而不是疯狂的破坏性。”
三重威胁
当我们问纳金这个任务中最艰难的挑战是什么时，她直截了当地说了出来。“我们一直受到三个问题的挑战:电力、热力和时间表。”
但太空中有一个巨大的反应堆，叫做太阳。太阳能难道不是丰富的免费能源的完美来源吗?
“从硬件的角度来看，功率总是一个巨大的挑战……每当你制造出更强大的计算机，你就需要更多的功率。”
之前的“勇气号”和“机遇号”确实是太阳能驱动的。但“好奇号”是靠核能运行的;具体来说，就是钚的放射性衰变。在这个任务中使用核能的原因是“我们不依赖于季节。我们可以在晚上(没有阳光的时候)做事情，虽然晚上当然更冷，所以我们要花更多的能量来唤醒月球车并加热它。”
漫游者保存能量的另一种方式是，嗯，保存能量。这有点像每天的电子冬眠。
Nagin说:“从硬件的角度来看，电源总是一个巨大的挑战。“每当你制造出更强大的计算机，你就需要更强大的动力。”
就火星环境而言，火星大气的厚度不到地球的1%，重力是地球的三分之一。
“火星上的温度比地球上更极端，”纳金说。“大气和重力当然是不同的，它变得比人们想象的更温暖，所以创造了这些巨大的热循环。风不是很明显。”
最后，时间方面，这在太空中比在家里更重要。
“有启动windows,我们必须满足:在地球上,如果你有问题,你可以让几个星期或几个月下滑,但随着行星,如果你错过了你的发射窗口,你滑几年,是一个长时间保持你的飞船和人。”
穿越巨大的虚空交流
火星是一个不太适合交流的地方。首先，它与地球的距离从3480万英里到2.5亿英里不等，这取决于两颗行星在任何给定时间内的轨道位置。那么，NASA的工程师如何与“好奇号”交谈呢?
纳金说:“我们不能像中国人登月时那样操纵火星车，因为月球离我们只有3光秒的距离，而从火星发出的信号可能需要5到20分钟才能到达。”所以我们使用远程测序。当漫游者睡着时，我们将看看她是如何完成前几天的活动的。如果进展顺利，我们就会决定第二天要做什么。”
“关键是要诊断出问题的真正根源，而不是症状。”
换句话说:让科学家们就他们的重点达成一致。
一旦这个障碍被清除，Nagin继续说道:“我们会像甘特图一样，用软件将其呈现出来。我们把它们排列好并做好准备，然后把不同团队发出的所有指令转换成序列，然后再转换成探测器能够理解的二进制代码。”她补充说，过去，任务控制中心要花16个小时来计划好奇号的一天;现在，有了这些经验，只需要9个。
然后，命令序列被标记为它们要前往的航天器，任务控制中心将另一层元数据封装起来，将命令包定位到特定的天线，这些天线将把命令发送到火星。
在这种情况下，它是深空网络站，或DSNS，在加利福尼亚，西班牙和澳大利亚的天线，和他们使用的特定频率是f波段和s波段无线电波。
纳金补充说:“这取决于传输时火星与地球的距离，传输可能需要5到20分钟。”
火星上的维修店?
短期内不太可能发生。那么你该如何修理地上坏掉的东西呢在那里？通常的敢作敢为的企业家精神在火星上确实遇到了一些严峻的现实。
“显然，你无法修复硬件。它消失了，”纳金说。“这就是为什么你需要(那些)冗余。例如，我们会有两台或更多的同一台电脑。你也可以有功能冗余，这意味着功能可以由几块不同的硬件执行。”
她补充说，更常见的是软件的变通方法。“我们可以在发行后加载软件。我们可以修补它。如果情况很糟糕，我们也可以重新装弹。”
然后还有Nagin所说的“地面变通方案”。这指的是将执行相关功能的责任转移回地球，在任务控制中。
“随着任务时间的延长，一些顶级专业知识可能仍在最初的工程师那里……恢复这些知识变得越来越有挑战性。”
她说:“可能会更慢更困难，这取决于它是否可行，是否不会超出项目预算。”你要做的第一件事是了解上面发生了什么，因为关键是要诊断出问题的真正根源，而不是症状。”
转移关键知识
也许具有讽刺意味的是，好奇号的人类团队面临的一个障碍是人类专业知识的缓慢流失，现在美国宇航局的火星任务已经进行了几年。
这并不是说工程师的智慧或能力有所下降。
纳金解释说:“随着任务变得越来越长，一些顶尖的专业知识可能仍然属于最初的工程师，他们已经转移到其他项目。”或者，就像我们人类经常发生的那样，只是因为年老而死亡，就像阿波罗计划一样，她补充道。“因此，恢复这些知识变得越来越有挑战性。”
但是NASA并不是一个袖手旁观的国家。该机构已采取积极步骤，确保其特派团人员头脑中积累的大量专门知识和知识得到捕获、保存和分享。纳金说，他们在一个正式的“经验教训”过程和数据库中捕捉所有信息，供其他任务使用。除此之外，喷气推进实验室还遵循一套设计原则，使各任务之间能够相互交流技术知识，避免重复工作。
考虑到这些任务中所涉及的一切，尤其是使它们成为可能的数十亿美元的预算，知识转移必须成为首要任务。
视界
成功是一件有趣的事。如果它太容易获得，我们就不重视它。但几率越高，成就感就越令人愉悦。在火星上登陆火星车并远程操作它4年，无疑是人类最伟大的成就之一。
然而，NASA团队可以与我们分享的经验教训可能对地球上的更多行业更有价值:弄清楚如何处理你不知道你不知道的事情。模拟环境、条件和场景，它们的特征和参数与我们自己(或我们习惯的)不同。当你最重要的团队成员是一台机器时，沟通并确定优先级。最重要的是，确保在无数的团队变更中积累和审查的知识——更不用说连续的大规模预算——被很好地记录下来并传递给新一代。
