一场约定在火星的见面 最终二人都没出现

作者: 李会超

来源: 科学大院

发布日期: 2017-10-09

1998年,NASA发射了“火星气候探测者”和“火星极地着陆者”两艘飞船,计划研究火星的气候与天气。然而,由于单位转换错误,“火星气候探测者”在接近火星时失控坠毁,而“火星极地着陆者”也在着陆过程中失事。文章探讨了单位制混乱导致的这一悲剧,并分析了美国在单位制转换上的历史和现状。

1998年,NASA启动了火星探测98计划,将“火星气候探测者”和“火星极地着陆者”两艘飞船发射升空。以今天的眼光看,重量为338公斤的“火星气候探测者”和重量为290公斤的“火星极地着陆者”都算是微小卫星。之所以使用这样轻量级的卫星,是由于之前火星观察者飞船的失败和国际空间站计划预算的节节攀升,NASA不得不削减预算,试图用一些小型探测器来继续火星探测。

“火星气候探测者”飞船计划中的“火星约会”1998年12月21日,“火星气候探测者”发射升空。科学家们赋予这艘飞船的任务是研究火星的气候与天气。火星拥有大气层,但大气层中的主要成分为二氧化碳,温室效应较强。在火星上,由于气压和重力较低,尘埃容易被卷入空中。而火星表面在春夏季时较快的增温又容易形成强烈的风,裹挟尘埃形成尘暴。同时,还有尘卷风、幡状云等天气现象。

火星气候探测者飞船,通过它上面搭载的红外辐射计和可见光-紫外线成像设备,来监测火星大气层中每天的天气变化,记录天气现象给火星表面带来的影响,并完成其他与火星气候与天气有关的探测任务。除了进行科学探测外,它还是一名“传令兵”。当“火星气候探测者”和它的兄弟飞船“火星极地着陆者”在火星上“见面”后,它将通过自身的天线来为“火星极地着陆者”做通信中转,让这艘在火星登陆的飞船能够与地面控制系统通讯。

一个在路上失联 一个在抵达时失事1999年9月8日,在经历了半年多的飞行之后,“火星气候探测者”已经接近火星,准备降低轨道高度到226公里,以进入正常工作的状态。然而,在此次轨道高度调整一周后,控制人员发现其实际轨道高度仅有150-170公里,并且在不断下降中。1999年9月23日,火星探测者飞船在环绕火星的轨道上与地球上的控制人员失去联络,从此再无音信。

据事后的调查推断,此时飞船的轨道高度可能仅有50公里。在火星大气与飞船的相互作用下,飞船解体坠毁。

虽然是一颗小卫星,但“火星探测者号飞船”任务耗资也有三亿两千七百万美元。而葬送飞船的,竟然是一个低级错误:弄错了单位。飞船的控制软件以“磅力”为单位计算推力,而预测飞船轨道的模型以“牛顿”为单位。假设飞船的发动机以1磅力的推力工作了1秒时,轨道预测模型会误以为飞船是以1牛顿的推力工作了1秒。

如果轨道预测模型认为飞船的推力刚好合适时,飞船发动机实际产生的推力将会是合理值的4.5倍。飞船在降低轨道高度时,发动机推力的作用相当于汽车的刹车。刹车踩多了,速度降低得过多,才酿成了飞船失控坠毁的惨剧。

令人更感到遗憾的是,“火星极地着陆者”在火星着陆过程中也因为故障而失事,两艘飞船“火星约会”的愿景变成了各自的惆怅。谁应该为此负责?混乱的单位制从国内去美国工作、生活的读者可能会有这样的体验:如果要在美国正常生活,要重新适应那边的度量方法。长度单位要用英里、英尺,重量单位要用磅、盎司,体积单位要用品拖、加仑等。同一种名称的单位在用作不同性质的物体的度量时,其代表的量还会发生变化。

常用来衡量液体体积的单位“加仑”,1加仑约等于3.785升。与此同时,还有一个衡量干货体积单位的“干加仑”,1干加仑约等于4.405升。在美国还是英国殖民地的时期,英国将英制单位带到了北美大陆。英制单位大都来源于实际生产生活中的直观定义。例如,磅这个单位来源于古罗马帝国时期,其最初的定义方式为一磅等于一颗从麦穗的中间抽取的大麦的重量的7000倍。

而英寸这个单位最初的定义为人拇指的长度,后来又用三个大麦粒的长度来定义。

这种随心所欲的单位定义法显然十分不精确,因此后来英国政府进行了规范度量的工作。1824年,英国的重量与长度法案对英制单位首次做了规范定义。伦敦特拉法加广场的英制标准长度然而即便这样,在需要精确测量的工业时代,英制单位仍然是一种不好用的单位。为什么这么说?我们日常使用的计数法是十进制的,而不同英制单位间却大都是12和16的倍数。例如,1英尺=12英寸,1磅=16盎司。

当我们用小数表示公制单位时,可以方便得换算成更小的单位,但英制处理起来就十分的麻烦。比如,0.56米等于5分米又6厘米,或56厘米,但0.83英尺的长度等于9英寸5皮卡到9英寸6皮卡之间。在这个转换中,即便在英制单位中继续使用更小的长度单位,也无法像公制单位那样方便而精确地换算。

从19世纪开始,法国人定义了一套以自然现象为基准、以十进制为基本进制的单位系统。例如,用经过巴黎的子午线长度的千万分之一确定了“米”,用十进制转换出了“分米”、“厘米”等更小的单位。后来,这套单位制在经过不断规范后,形成了国际单位制。在国际单位制中,定义了7个基本物理量,其它物理量则由这7个物理量导出。

公制单位在全球的推广示意图,不同颜色的色块表示该国采用公制单位的时间。黑色表示该国尚未采用公制单位,灰色表示该国数据不详。斜条纹表示该国在混用不同单位制。实际上,美国很早就参与到了国际单位制的制定工作中。在1875年多国签署形成国际单位制的重要文件《米制公约》时,美国就是缔约国之一。然而,美国政府在国内推行国际单位的工作力度一直不强。

世界各国因为国际单位制的在科技和工业领域的优势而纷纷转向国际单位制时,美国依然高举之前的英制单位大旗孤独行走,还在英国定义的基础上推陈出新,自成一派。例如,在电影《马达加斯加的企鹅》中,当四只企鹅从一架飞机上逃脱、即将坠地时,擅长进行科学计算的科斯基用国际单位“米”报告企鹅们的高度,而老大却坚持让科斯基“说美国话”,因此科斯基不得改用美制单位“码”来报告当前高度。100米约等于109.3613码。

再例如,美国目前使用的1加仑和英国之前定义的1加仑的体积并不相同。因此,目前美国已经形成了一套“美制单位”,这套单位与英国之前使用的单位并不完全相同。1992年,在英国放弃英制单位,全面使用国际单位制27年后,美国终于颁布了一份有强制力的法令推行国际单位。

但法令仅要求政府部门使用国际单位制,对于私营企业和社会活动中的单位制并没有做明确的规定,造成美国目前两种单位制混跑的局面:在政府部门文件和科学技术活动中,多用国际单位制;而与日常生活相关的领域,则多用之前的美制单位。

1美制加仑的汽油,相当于0.8英制加仑。在火星探测者飞船的悲剧中,轨道模型来自于属于政府部门的NASA,而飞行控制软件来自于私营承包商洛克希德·马丁公司。洛克希德·马丁公司的码农们没有按照飞船工程的接口规范设计软件,而是习惯性得直接使用了美制单位,造成了飞船坠毁的悲剧。直到今天,尽管许多美国政府部门在做这方面的努力,但美国何时能够全面使用国际单位制,依然是个未知数。

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