Chet Vaughan是波音公司负责国际空间站项目的首席工程师,他认为控制和自动化的基本原理帮助美国空间计划克服了从技术创新、集成到标准化的问题。
Chet Vaughan是波音公司负责国际空间站(ISS)项目的首席工程师,从1996年开始,就在这里工作。他为美国航空和航天局(NASA)工作已经40年了,经历了所有重要的人类航天计划,包括Mercury,Gemini,Apollo,Skylab等。Vaughan说,最近美国空间探索策略的改变令他非常鼓舞,例如人类登月和火星计划。
Vaughan认为,虽然不是典型的控制和自动化环境,但是空间探索从一开始就有许多传统意义上的控制问题,并且随着空间系统和航天器逐渐成熟,面对的问题也越来越多。“许多与航天相关的自动化问题最初都需要考虑维持航天器的飞行姿态控制,”Vaughan说:“在线传
“另一方面,制动力不是周期性的,但是他们都利用传感器数据确定正确的方向,然后由推进器定向。这些系统一开始就是自动运行的,仅由64kB的小型计算机启动,在Gemini计划中的甚至更小。”
以您的经验,您认为在过去的50年里控制领域最重要的3个进步是什么?其中哪一个是最重要的,为什么?
Chet Vaughan:我认为过去50年里最重要的一个进步是持续发展的计算机技术及其飞速提高的计算能力。
这一进步为第二大进步——传感器技术铺平了道路,传感器技术已经非常成熟,能够为复杂计算提供越来越多的数据,使结果更有价值。
第三大进步是网络已经发展到具有足够的速度和能力将传感器感知的数据传送到计算单元。
例如,ISS使用40-45 386kB的计算机,与过去相比有了很大进步,可以分为两个主要类别。第一类计算机使过程自动运行,以保持工作站的活性,例如管理温度控制,内部水冷系统,以及外部基于氨的冷却系统。这种设备包括泵、旁路阀、热交换器,以及专用软件,包括外部控制区,错误隔离和恢复系统以及用于通知宇航员和地面人员的冗余系统。
ISS中的第二类计算机用于控制工作站的实验和生活系统,它们也联接了许多传感器。例如,宇航员现在可以在太空中生活更长的时间,他们呼吸的是14.5-psi氮气和氧气的混合气体。空气质量由一个成份分析器或光谱仪监控,产生的数据大多数仍然是模拟信号,但数字数据的比例在逐渐上升。
过去,我们不能高频率的采样。信息量很小,响应也不快。这在ISS和航天方面都是一个问题,因为一旦出现故障,就可能会迅速扩大。现在我们有能力以微秒的速率捕捉信息,汇报给宇航员和地面人员。
最重要的一个进步是持续发展的计算机技术及其飞速提高的计算能力。
您认为在未来5到10年,甚至50年,在控制、自动化和仪器仪表应用领域将会有哪些重大的进步?
Chet Vaughan:在未来的5到10年内,我们会看到比现在更快的技术进步。元器件和系统会变的更小,需要的能量和产生的热量都会更少。
我们也会看到新领域的一些发展,将会取代以前在传统领域的进步。例如,以后可能不会看到将化学能转化为推动力的液体推进器再有大的进步了,因为我们已经可以从理论上得到98%~99%的能量。因此,将来可能会看到核动力、电动力和基于离子的推进器。离子推进需要将少量的空气加热到非常高的温度,这类推进器启动得比较慢,但可以达到很高的速度。
在机器人领域,ISS在加拿大制造的移动手臂可以搬运大质量的物体,并具有高度的灵活性,两端都可以作为底座或移动手臂的部件,可以执行相同的工作。以后,它将具有更多功能,包括压缩和非压缩的部件。下一个进步可能是安装一个多功能机器人,可灵活运用肢体行走。
再过几年,我们会拥有自动化、控制和其他一些能力,可以让我们在国际空间站上不需要舱外活动就可以重置轨道单元,这样既可以节约时间和人力,也降低了危险性。
工程师必须重视自我教育,理解并认真的应用基本的工程原理去设计和生产实用的工具和电子方案。
在下一个10年中,关于工厂自动化基础设施、技术和制造业务,工程师面对的最大挑战是什么?
Chet Vaughan:对于 工程和工程师来说,最大的挑战仍然是获得和维持稳定的资金。
此外,工程师们还需要探讨如何在整个项目上共同合作。对于国际空间站和其他项目而言,这意味着让更多的零件、模块和飞行器彼此更好的兼容,达到通信标准化,特别是在元器件级。
我们需要物理的和基于软件的架构,并嵌入新技术。在我们更新ISS的386kB计算机时,这就是非常重要的。在建立ISS的过程中,我们也看到多个国家间的互相合作。
ISS所遇到的问题及其解决过程可以被许多其他组织和工程项目所借鉴。从中学到的经验不只应用于空间技术,在其他领域也适用。
回顾您的职业生涯,有哪些新技术的发展曾令您感到意外?
Chet Vaughan:一个意外是我几乎无法跟上所有基于计算机的新技术。所有的通信都实现了双向通道。不论是PC与设备之间的通信,还是在管理和设置设备间通信的优先级,你都必须清楚你所问的和所说的。
例如,ISS的数据和通信是通过一个由铜线和光纤组成的三层网络传递的。工作站采用以太网来传输数据,但不是核心系统。核心网络需要有侦错、隔离、自动恢复、与多网络同步的功能。
这些年的一个主要进步是并行数据处理解决了数据瓶颈的问题。而且
控制工程师在职业发展中应该关注些什么?
Chet Vaughan :不论是年轻的、刚毕业的工程师,还是年纪较大的、经验丰富的工程师,都必须重视自我教育,理解并认真的应用基本的工程原理去设计和生产实用的工具和电子方案。但是总有人会忽略这些基础步骤,这种现象应该避免。
依据您的经验,能否举一个注重工艺和文化有助于自动化应用的例子?公司是否应该将工艺和文化作为技术应用的一部分?
Chet Vaughan:目前更难到达国际空间站使我们的文化发生了一次变化。尽管如此,我们正在努力提供更多的生存能力,以及同水平的后备力量,以避免潜在的问题。
这就意味着我们的工程师已经更有实力,可以开发出更好的工具,更好的理解如何完成我们的工作。希望这对培养新一代工程师有所帮助。
目前,我们的管理是不错的,尽管我们还没有太多后备力量,但是每个人都尽力使ISS继续正常航行。