当NASA因公制数学错误而丢失航天器时

1999年9月，经过近10个月的火星旅行后，火星气候轨道飞行器被烧成碎片。在NASA工程师希望庆祝的那天，事实证明地面实在是完全不同的，这都是因为有人没有使用正确的单位，即公制单位！《科学美国人》太空实验室就这个主题制作了一个简短而有趣的视频。

当NASA因公制数学错误而丢失航天器时

美国宇航局的失落航天器公制和美国国家航空航天局的火星气候轨道器

“火星气候轨道器”耗资1.25亿美元，是美国宇航局于1998年12月11日发射的338公斤机器人太空探测器，用于研究火星气候，火星大气和地表变化。此外，它的功能是充当Mars Polar Lander的Mars Surveyor '98程序中的通信中继。喷气推进实验室（JPL）的导航团队在计算中使用了毫米和米的公制，而设计和制造该航天器的科罗拉多州丹佛市的洛克希德·马丁宇航公司则以英制的英制提供了关键的加速度数据，英尺和磅。JPL工程师没有考虑到单位已经转换，即加速度读数以英制磅/秒^ 2为单位来度量称为牛顿-秒^ 2的力。

艺术家对火星气候轨道器的构想。来源：NASA / JPL / Corby Waste – http://www.vitalstatistics.info/uploads/mars%20climate%20orbiter.jpg（另请参见http://www.jpl.nasa.gov/pictures/solar/mcoartist.html ），公共领域，https：//commons.wikimedia.org/w/index.php？curid = 390903

在深入探讨可怕的一天发生的事情之前，让我们尝试了解不同的度量单位，以及它们如何在全球各地使用。过去，世界上的各个地区都在使用最方便的测量系统和单位。例如，在世界的某个地方，太阳的周期被认为是时间的量度，而在其他地方，正是用月球周期来定义时间。此外，缺乏交流工具使学者无法与全球学者交流，讨论和比较思想。因此，在几个世纪的过程中，不同的单位和测量标准已经独立发展。

随着世界变得越来越近，对单一统一单位制的需求已经出现。公制系统的几项发展功劳可追溯到法国大革命初次设想时。随后，在巴黎的国家档案馆中创建了两个铂标准，分别代表米和千克。这可以被认为是当前国际单位制发展的第一步。

法国大革命后，德国数学家约翰·卡尔·弗雷德里希·高斯（Johann Carl Fredrich Gauss）大力推广了这种度量系统。除了米和千克，他还增加了天文学中定义的“秒”，作为物理科学单位的连贯系统。詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）和约瑟夫·约翰·汤姆森（Joseph John Thomson）爵士通过英国科学发展协会（BAAS）推进了高斯的倡议，提出了对具有基本单位和派生单位的单位制进行统一规定的要求。由于他们的努力，出现了CGS系统，它是一个基于厘米，克和秒这三个单位的三维相干单位系统，使用从微到兆的前缀表示十进制的倍数和倍数。在1889年，第一次度量衡大会（CGPM）批准了米和千克的国际原型。与天文秒数作为时间单位一起，这些单位构成了三维机械单位系统，就像CGS系统一样，但基本单位为米，千克和秒。

意大利物理学家和电气工程师Giovanni Giorgi证明，可以将米-千克-秒系统的机械单位与实际的电气单位相结合，将三个单位相加，从而形成一个单一的连贯的四维系统。基本单位，一个具有电气性质的第四基本单位，例如安培或欧姆，并以所谓的合理化形式重写电磁中出现的方程。随着这些发展，在1939年，基于米，千克，秒和安培的四维系统被推荐给电力和磁学咨询委员会（CCEM），并得到了国际度量衡委员会的批准（CIPM缩写为CIPM）。 （1946年，法国国际法律事务委员会（Comitéinternational des poids et mesures）。

美国和美国国家航空航天局美国的SI

如果有人前往美国，就会立即注意到这些变化；用英里代替公里，用磅代替千克，依此类推。在我将近22年的生命中，我一直使用公斤，当我去美国生活时，“磅”对我来说是全新的。虽然我可以预测如果购买一公斤物品会得到多少，但我不知道一磅意味着什么。美国仍然是七个未采用国际单位制的国家之一。

美国以英寸，英尺和码为单位的距离测量系统基于来自英格兰的单位，这是最早的定居者从五月花号来到美国的地方。尽管世界上大部分地区都使用厘米，米和公里的公制，但美国仍继续使用英制。一只脚等于12英寸，一个码等于36英寸-混乱仍在继续。在公制中，1米为100厘米，1公里为1000米。然而，不可否认的是，今天有许多跨国公司和国际企业与美国合作和/或在美国合作。这使得使用通用的度量单位变得更加重要。

鉴于公制的压倒性优势，美国国会于1975年通过美国总统杰拉尔德·福特（Gerald Ford）签署的“公制转换法”，将SI单位作为首选的测量系统。但是，该法案还允许使用美国习惯单位。进而，在1980年代，联邦政府试图在美国引入公制。从那时起，汽车上的车速表既显示每小时英里数，又显示每小时公里数。但是，这些尝试更改为公制的尝试均未成功。

即使美国国会已将SI用作美国的首选测量系统，但绝大多数企业仍在使用美国惯用单位。但是，这种对公制的保留几乎是瞬间改变的，至少在1999年是世界上最好的太空机构。这种变化发生在灾难调查委员会报告说NASA的火星气候轨道器在火星大气层中燃烧之后。

美国宇航局的失落航天器美国宇航局的火星气候轨道灾难

当NASA因公制数学错误而丢失航天器时

1998年12月11日，一架波音Delta II 7425消耗性运载火箭随NASA的火星气候轨道器升空

美国国家航空航天局（NASA）的一个审查委员会发现问题出在控制人造卫星推进器的软件中。该软件以磅力为单位计算了推进器需要施加的力。读取此数据的第二段代码假定它以公制单位-“每平方米牛顿”。

在设计阶段，科罗拉多州洛克希德·马丁公司的推进工程师用磅表示力。但是，转换为太空任务的公制单位是标准做法。NASA喷气推进实验室的工程师认为已经完成了转换。这次导航事故将飞船危险地推向了接近行星大气层的位置，据推测它可能燃烧并破碎成碎片，在工程师曾希望庆祝飞船进入火星轨道的那一天杀死了任务。

据火星气候轨道飞行器失败委员会报告，导致灾难的成因是八倍。根据美国国家航空航天局的委员会的说法，在地面计算机模型中未发现错误，该模型预测了航天器上的小推力器发射是如何预测的，然后在飞船进入火星的星际旅行期间在航天器上进行了这些操作。此外，委员会还补充说，与早期的“火星全球测量师”任务相比，运营导航团队并未充分了解火星气候轨道器在太空中的指向方式。

最初的错误是由科罗拉多州的承包商洛克希德·马丁宇航公司（Lockheed Martin Astronautics）犯下的，该公司与美国其余的发射业一样，都使用英语测量。按照约定，承包商应将其度量转换为度量。该项目中的系统工程职能（其职责是跟踪并仔细检查任务的所有相互联系的方面）功能不够强大。董事会还补充说，这是由制造火星的航天器首次移交而加剧的，该团队将其建造并发射给一个新的多任务运营团队。

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图01：报纸动画片描绘了NASA和洛克希德·马丁科学家使用的导致火星气候轨道器灾难的装置之间的不一致。（来源：Slideplayer.com）

NASA的错误估算转换错误的其他情况

吉姆利滑翔机

这不是历史上唯一直接由转换错误引起的灾难。1983年因“ Gimli Glider”事件而闻名，该事件中，加拿大航空的波音767飞机在飞行途中燃料用尽，原因是使用公制度量方法无法确定航空公司第一架飞机的燃料供应。

直到1970年加拿大开始采用公制，加拿大一直是采用英制的国家之一。公制（它被称为）花费了一些时间-大约十五年或更长时间。航空业是变化较晚的行业之一，这主要是由于设备的昂贵和使用寿命长所致。

将体积（升）转换为质量（千克或磅，取决于使用的系统）所需的每次飞行加油协议，以估计所需的燃油量。乘务员没有计算出要达到22,300公斤有效载荷所需要的升数，而是计算了要达到22,300磅所需的升数。这是所需燃料量的一半，这意味着该航班只有足够的燃料才能使其到达目的地的一半。事实证明，这是一个主要的问题，并且可能威胁生命。这是因为该车辆是一架飞机在离地面12500米的高度巡航。

幸运的是，飞行员在他的腰带下进行了十年的滑翔机训练，而他的副驾驶也非常了解周围的环境。熟练的一对能够降落767，滑行了最后100公里，确保了机上所有人的安全。

鲜为人知的事件

发生了几起鲜为人知的转换事故。安全药物实践研究所报告了一个实例，该患者由于建议被误读而接受了0.5克苯巴比妥（镇静剂）而不是0.5粒谷物。谷物是约等于0.065克的计量单位。该研究所强调，处方只应使用公制系统。

在另一起事件中，一架飞机超重了13,000公斤。1994年，FAA收到一个匿名提示，即美国国际航空（现为货运航空公司Kalitta Air）的着陆量比预期的重15吨。美国联邦航空局进行了调查，发现问题出在公斤到磅的转换中（或没有）。

最后，值得一提的是，甚至哥伦布也存在转换问题。当他使用罗马英里而不是海里时，他错误地估计了地球的周长，这是他于1492年10月12日意外来到巴哈马并认为自己袭击了亚洲的部分原因。

美国宇航局的失落航天器结论：有限元单元

正如人们会注意到的那样，使用FEM软件时没有预定义的单位。留给用户确保使用正确的缀合物。如果用于长度的单位是米，则用于机械单位其他方面的正确单位是千克和秒。相反，如果单位是毫米，则正确的单位是毫克和毫秒，依此类推。每当您考虑设置仿真时，都必须考虑一下这些单元！

当NASA因公制数学错误而丢失航天器时

图02：FEM仿真中要使用的一致单位（来源：Eng-Tips）