Następny post z cyklu „ciekawe prezentacje” 🙂 Tym razem wpadła mi w ręce prezentacja Chel Stromgren’a o tytule „Niebezpieczeństwo niepewności” (A Threat of Uncertainty). Jest ona prezentacją z cyklu „wszystko co robimy jest niewystarczające!”, czyli czymś co bardzo lubię! W tym wypadku chodzi o zapewnienie przeżycia załogi lecącej na Marsa. Problemem jest zbudowanie statku kosmicznego który wytrzyma 1000 dni. Nie 1000 dni bez awarii, ale 1000 dni z awariami które nie są CRIT 1 (CRIT 1 jest definiowane jako awaria powodująca natychmiastową utratę misji i załogi) ani CRIT 2 (utrata misji, załoga ma szansę przeżyć) i z awariami które daje się naprawić.
Problemem jest nasza wiedza na temat MTBF – mean time between failure (średni czas pomiędzy awariami). MTBF dla większości systemów mechanicznych składa się z trzech etapów: „niemowlęcego” kiedy pojawiają się „błędy młodości” – niedoróbki itp., „dorosłego” kiedy MTBF jest generalnie stały i najmniejszy oraz „zużycia” kiedy MTBF gwałtownie maleje. Każde urządzenie mechaniczne ma te trzy etapy życia, problemem jest dokładne określenie parametrów – jak długo trwa okres niemowlęcy, jaki jest poziom MTBF w „dorosłym okresie” i kiedy zaczyna się okres „zużycia”.
Dla elementów których awaria może się zakończyć CRIT 1 lub CRIT 2 stosuje się wiele technik zapobiegania – przede wszystkim redundancja, ale także wymiany zanim urządzenie osiągnie okres „zużycia”. W przypadku urządzeń których awaria nie powoduje większych problemów można sobie pozwolić na eksploatację aż do awarii i dopiero wtedy wymianę. Dodatkowo w przypadku długotrwałych misji elementy które mogą spowodować CRIT 1 lub 2 muszą być łatwe do naprawy/wymiany – tu pojawia się nowy parametr – „serwisowalność”. Wszystkie systemy które są niezbędne do sukcesu misji muszą być łatwo serwisowalne, a systemy krytyczne szczególnie – tak by czas kiedy nie mamy redundancji był jak najkrótszy.
Problem określenia parametrów MTBF jest szczególnie ważny w przypadku misji na Marsa – na jego podstawie można zadecydować ile i jakich części zapasowych należy zabrać. I tym mnie właśnie ujęła ta prezentacja bo pokazuje ona dwie ciekawostki – po pierwsze wraz z wzrostem masy wysyłanej na Marsa można zwiększyć szanse na udaną misję. To w sumie oczywiste – po prostu wysyłamy więcej części zapasowych. Jednak masa rośnie wykładniczo wraz z wzrostem szans na udaną misję – poprawa szans z 99% na 99.5% może wymagać 20% wzrostu masy pojazdu. Po drugie prezentacja pokazuje coś innego, co wydaje mi się ciekawe – jak zmienia się prawdopodobieństwo udanej misji w sytuacji kiedy przeszacujemy albo niedoszacujemy MTBF. Właśnie te krzywe są szczególnie dramatyczne i tłumaczą skąd wziął się tytuł – po prostu jak weźmiemy bardzo, bardzo dużo części zapasowych to nawet jeżeli rzeczywisty MTBF będzie znacznie gorszy od planowanego, to nadal szanse na udaną misję są wysokie – np. zakładając pewną wartość MTBF i biorąc zapasów tak by szanse na udaną misję były 99.9%, przy rzeczywistym MTBF = 0.5 oczekiwanego, szanse na udaną misję są nadal rzędu 98%. Jednak wzięcie zapasów tak by szanse na udaną misję były 99.9% powoduje że przy tym samym założeniu o rzeczywistym MTBF szanse na udaną misję spadają poniżej 90%.
Następną ciekawostką jest to że ISS nie dostarczyła nam jeszcze wystarczająco danych o MTBF różnych systemów – tylko 15% wszystkich elementów ISS jest powyżej 1.0 stosunku czasu używania/MTBF. 30% jest w zakresie 0.5-1.0, 30% w 0.1-0.5 i 25% poniżej 0.1. Oznacza to że obecna wiedza z ISS jest zdecydowanie niewystarczająca by lepiej określić MTBF wielu systemów. Dopiero w 2028 roku ponad 50% systemów będzie miało ten stosunek powyżej 1.0 = dane z ich eksploatacji będą reprezentatywne. Problem w tym że do tego czasu technologie jakie są w nich używane będą tak przestarzałe że prawdopodobnie nie zostaną one użyte do lotów na Marsa. A to oznacza że powstaną nowe system, dla których nie będziemy znali rzeczywistego MTBF.
Jeszcze inną ciekawostką jest to że w trakcie eksploatacji obecnych systemów okazało się że przewidywany teoretycznie MTBF jest zdecydowanie inny od rzeczywistego. 16% systemów miało prawdziwy MTBF mniejszy od planowanego a 85% większy, z czego niektóre znacząco wyższy. Oznacza to że może się okazać że mając więcej danych eksperymentalnych można by wysłać na Marsa misję która z jednej strony jest lżejsza a z drugiej i tak ma większe szanse na sukces. Autorzy pokazują że może to oznaczać albo prawie dwukrotne zwiększenie masy wysyłanej na Marsa albo zmiejszenie szans na udaną misję z 99% na 91% (przy tej samej masie) – to zakładając dane z ISS. W przypadku braku takich danych masa wysyłana na Marsa musi się albo potroić albo szanse udanej misji spadają z 99% na 69%.
Autorzy zauważają że ich obliczenia pokazują że trzeba trochę inaczej podejść do planowania misji na Marsa. Np. może się okazać znacznie bardziej efektywne wykorzystanie prostszego systemu podtrzymywania życia, który wymaga zabrania większej ilości wody i tlenu ale jednocześnie jest bardziej niezawodny (plus mamy doświadczenia z jego eksploatacji na ISS) niż użycie nowego systemu który wymaga mniejszej ilości wody i tlenu, ale z uwagi na nieznaną niezawodność trzeba zabrać pełno części zapasowych których masa jest większa od masy dodatkowej wody i tlenu.
To ostatnie jest ciekawą konkluzją biorąc pod uwagę marsjańskie plany SpaceX, a w szczególności użycie całej gamy nowych, nie przetestowanych wcześniej rozwiązań systemów podtrzymywania życia, napędu, nawigacji, zapewnienia właściwej temperatury itp.
