Expandindo a caixa de ferramentas dos fatores humanos: uma abordagem para equilibrar os parâmetros da tripulação e do projeto da missão

Este artigo é da Atualização Técnica de 2025.

Os factores humanos A TDT procura e cria oportunidades para influenciar o design para alavancar os pontos fortes humanos e proteger pessoas e missões. A equipe de fatores humanos conta com especialistas com conhecimento do desempenho humano em todos os aspectos das missões da NASA, bem como de outras indústrias críticas para a segurança. O objetivo é garantir que o conhecimento dos fatores humanos baseados na ciência e as lições aprendidas sejam aplicados ao longo do ciclo de vida da missão. A estratégia é 1) modificar as ferramentas disciplinares existentes e criar novas ferramentas disciplinares que atendam às necessidades e restrições da NASA, 2) construir estratégias para aumentar as chances de sucesso das disciplinas, 3) aprimorar as técnicas de simulação para obter o máximo de informações mesmo quando as oportunidades de verificação e validação são limitadas, 4) desenvolver novos métodos de análise para o desempenho humano em contextos de missão da NASA, e 5) reformular a compreensão do desempenho humano para enfatizar o papel fundamental da resiliência humana no sucesso da missão.

Este artigo destaca um conjunto de modelos analíticos de carga de trabalho, treinamento e experiência da tripulação que podem ser usados ​​para ajudar os tomadores de decisão a determinar o tamanho de uma tripulação de Marte adequado para a segurança da tripulação e o sucesso da missão. Essas ferramentas são construídas com base em uma capacidade do Departamento de Defesa (DoD) que tem sido amplamente utilizada para avaliar o sucesso de projetos específicos. Ao contrário das missões em órbita baixa da Terra ou mesmo na Lua, uma missão tripulada a Marte irá operar sob restrições extraordinárias, principalmente um atraso significativo na comunicação com a Terra e períodos prolongados de blackout de comunicação. Isto exige um repensar radical da concepção da missão, incluindo os elementos humanos do tamanho da tripulação, carga de trabalho, experiência e desempenho resiliente.

Para colmatar esta lacuna, o NESC desenvolveu uma metodologia sistemática e quantitativa, juntamente com um conjunto associado de ferramentas de modelação, para permitir o desenvolvimento de um espaço comercial baseado em evidências para orientar as decisões sobre o tamanho da tripulação para missões humanas a Marte. Este trabalho fornece análises acionáveis ​​para programas e projetos no início do desenvolvimento, permitindo a consideração simultânea da arquitetura da missão, dos conceitos operacionais e dos papéis que o ser humano desempenhará ao longo da missão. Esta análise apoia o desenvolvimento de projetos de missão que preservem e permitam o desempenho resiliente humano para garantir o sucesso e a segurança da futura exploração de Marte.

Historicamente, os programas de voos espaciais tripulados da NASA têm dependido do apoio em tempo real de um extenso controlo terrestre, composto por um intelecto colectivo que actua como uma tripulação alargada para gerir objectivos e responder a anomalias. Conforme ilustrado na Figura 1, o volume do pessoal de terra da ISS destaca a vasta estrutura de apoio disponível para missões próximas da Terra. No entanto, para Marte, atrasos de comunicação de até 22 minutos unidirecionais e apagões que duram até três semanas durante conjunções superiores eliminarão esta tábua de salvação em tempo real. Isto exige um novo foco nas capacidades exigidas da tripulação a bordo, que enfrentará decisões urgentes e falhas imprevistas apenas com o seu conhecimento e sistemas de apoio à decisão a bordo, muitas vezes sem procedimentos pré-existentes.

A metodologia do NESC preenche uma lacuna de longa data, uma vez que as determinações anteriores do tamanho da tripulação da Mars muitas vezes careciam de uma análise quantitativa detalhada das tarefas, carga de trabalho e experiência da tripulação. Estendendo as metodologias do DoD para determinação de mão de obra, a metodologia do espaço comercial de fatores humanos do NESC oferece um meio repetível e baseado em dados para avaliar se um determinado complemento de tripulação possui a capacidade de cumprir os objetivos da missão e responder com sucesso a falhas imprevistas que têm consequências potenciais de perda de tripulação ou perda de missão (LOC/LOM). O processo principal envolve a coleta de conceitos e informações da missão a Marte, a determinação de casos de uso a serem modelados, a criação de uma estrutura de avaliação do espaço comercial, a condução de modelagem de desempenho humano e a realização de análises do espaço comercial. Esta abordagem iterativa, representada conceitualmente pelo Processo de Decisão do Tamanho da Tripulação da Mars (ver Figura 2), permite a adaptação à medida que as tecnologias e os pressupostos da missão evoluem.

No centro desta metodologia estão quatro modelos de desempenho humano, cada um revelando insights críticos sobre os fatores humanos do projeto da missão a Marte.

1. IV Operações para Modelo EVA de Superfície Planetária: Este modelo examinou a carga de trabalho mental dos tripulantes intraveiculares (IV) de Marte que apoiam uma atividade extraveicular (EVA) na superfície planetária, simulando atividades atualmente realizadas pelo pessoal do Centro de Controle da Missão para EVAs da ISS. Ele previu que durante um EVA técnico de superfície de Marte conduzido no ritmo de um EVA da ISS, a carga de trabalho para um tripulante IV desempenhando funções essenciais combinadas de controlador de voo seria inaceitavelmente alta, indicando um grave impacto negativo no desempenho da tarefa. Esta descoberta sublinha a necessidade de reconsiderar o ritmo dos EVAs, a automatização de tarefas ou aumentar o complemento da tripulação de apoio IV para garantir que os EVAs de missão crítica sejam conduzidos com segurança, independentemente do apoio baseado na Terra.

2. Modelo de operador EVA assistido por braço robótico: Este modelo avaliou a carga de trabalho mental de um tripulante operando um braço robótico (ver Figura 3) nos modos de controle manual e automatizado em um veículo de trânsito em Marte. Os resultados do modelo indicam que podem ser necessários dois tripulantes para mitigar uma carga de trabalho inaceitavelmente elevada durante operações manuais do braço robótico. Além disso, de acordo com a literatura científica, o modelo previu que factores de stress como o débito de sono aumentam a carga de trabalho mental e degradam o desempenho, prolongando os tempos de conclusão das tarefas. Isto destaca a importância de levar em conta o bem-estar da tripulação na determinação do tamanho da tripulação.

3. Modelo de tripulação do Mars Transit: Esta análise centrou-se na utilização da tripulação e nos requisitos de pessoal durante uma missão de trânsito de Marte de 9 meses, realocando tarefas planeadas e não planeadas do controlo no solo para a tripulação. A modelação, utilizando pressupostos de tarefas equivalentes à ISS, previu que seriam necessários mais de seis tripulantes (dadas as taxas médias para eventos não planeados) para atingir o mesmo número de horas de trabalho que uma missão de quatro pessoas na ISS. Este aumento substancial enfatiza o impacto crítico da independência da Terra na carga de trabalho diária da tripulação e a necessidade de um complemento adequado da tripulação para gerir as responsabilidades contínuas.

4. Modelo de Pessoal, Experiência e Treinamento: Dado o atraso/apagão na comunicação com Marte, aliado à falta de opções de retorno rápido à Terra, a NASA precisará contar com a experiência da tripulação para responder a falhas imprevistas. Um modelo personalizado foi desenvolvido para quantificar a experiência da tripulação necessária para cumprir os objetivos da missão e responder a eventos imprevistos com potencial LOC/LOM e curto tempo de efeito. Com base na análise dos dados históricos da ISS, a probabilidade de pelo menos uma ocorrência de tal falha durante o trânsito de Marte é superior a 99%. Uma análise de sensibilidade da relação entre uma resposta bem-sucedida da tripulação e o resultado LOC/LOM foi realizada para casos em que a tripulação deu uma resposta bem-sucedida em 90%, 95%, 98% e 99,985% das vezes. A probabilidade estimada de uma consequência LOC/LOM para todos esses casos, exceto o mais conservador, é superior a 1%, o que é considerado na faixa “muito alta” (vermelho), de acordo com a matriz de risco do Conselho de Risco do Sistema Humano. A probabilidade de consequências LOC/LOM cai apenas abaixo de 0,1% (amarelo) para uma taxa de resposta bem-sucedida de 99,985%. Quando ocorrerem falhas imprevistas numa missão a Marte, será fundamental que a tripulação tenha o nível de conhecimento necessário para diagnosticar problemas com precisão e restaurar funcionalidades críticas. O modelo de Pessoal, Especialização e Treinamento foi projetado para fornecer à agência a capacidade de considerar o espaço comercial