為了尋找古代微生物生命的蹤跡,史上先進(jìn)的行星探測器“毅力”號將以每小時11900英里的速度進(jìn)入火星稀薄的大氣層。確認(rèn)它于2021年2月18日到達(dá)火星的傳輸信息需要11.5分鐘才能到達(dá)1.3億英里外的地球。
面對深空高能輻射和極端冷熱循環(huán)等挑戰(zhàn),探測器將收集巖芯樣本并進(jìn)行僅限于我們想象的實驗?!耙懔μ枴笨茖W(xué)探測器的重量不到2300磅,采用抗輻射技術(shù),將為人類未來探索太陽系鋪平道路。
將航天器和人類送入太空是推動地球技術(shù)不斷突破邊界,勇創(chuàng)新高的試驗場。40多年來,ADI不斷利用創(chuàng)新,與NASA/JPL合作開發(fā)能夠承受發(fā)射時的極高重力,并滿足嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),能夠適應(yīng)嚴(yán)苛的太空環(huán)境要求的元器件和系統(tǒng)。“毅力”號任務(wù)是NASA/JPL和ADI之間的又一次技術(shù)合作,也是探索太空的一大里程碑事件。
概覽
公司:噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)是美國的國家研究機構(gòu),為美國研發(fā)出第一顆繞地衛(wèi)星,成功制造出第一艘星際飛船,并派遣機器人執(zhí)行研究所有行星的任務(wù),幫助開啟了太空時代。
目標(biāo):幫助尋找火星上是否存在生命痕跡、水,以及是否適合人類居住,不斷突破技術(shù)的極限。將這些技術(shù)轉(zhuǎn)向商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用,造福地球上的人類。
挑戰(zhàn):解決棘手的工程問題,使探測器能夠在嚴(yán)苛的太空環(huán)境中工作,幫助完成探索行星及其衛(wèi)星、小行星等任務(wù)。
應(yīng)用:將ADI的電源管理、隔離技術(shù)、傳感器和抗輻射組件用于太空探測儀器和系統(tǒng)。
“毅力”號和探尋遠(yuǎn)古生命痕跡
圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech:Jezero Crater,火星
在數(shù)十億年前,一個巨大物體與火星相撞后留下一個25英里寬的隕石坑Jezero Crater,被曾經(jīng)流經(jīng)火星表面的河道填滿,“毅力”號以此作為著陸點。
雖然如今,火星表面是一片寒冷、幾乎沒有空氣的沙漠,但科學(xué)家們認(rèn)為,在35億年前的一個潮濕時期,Jezero Crater中可能存在微生物。這個六輪探測車將在坑槽沉積物中搜索古代微生物是否留下了化學(xué)、礦物和地質(zhì)結(jié)構(gòu)證據(jù)。“毅力”號的首個任務(wù)是收集數(shù)十個巖芯樣本,將它們密封在容器中,并存放在火星地表,以便未來執(zhí)行火星任務(wù)時收集并送回地球,供研究人員通過精密儀器進(jìn)行深入分析。
ADI工程師Kristen Chong描述了她對“毅力”號火星探測器成功登陸火星的興奮之情,以及我們能從中學(xué)到的東西。
視頻鏈接:https://www.analog.com/cn/education/education-library/videos/6228400411001.html
支持任務(wù)執(zhí)行
電力是探測器執(zhí)行儀器、通訊、移動和科學(xué)活動的動力之源。對于這項為期11年的探測器任務(wù),可靠的電源和電池壽命至關(guān)重要?!耙懔Α碧柣诟邏弘姵?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1542179.html">總線運行,以實現(xiàn)高效率。但是,對于火星探測器99%的電子系統(tǒng)來說,總線直接提供的電壓輸出太高了。如果不能有效地對中間電壓進(jìn)行降壓,該探測器將浪費大量電能,并且電池也需要更頻繁地充電。
電源合作伙伴
NASA/JPL選擇ADI作為其技術(shù)供應(yīng)商,為他們提供關(guān)鍵的電源管理解決方案。高壓、同步、電流模式的控制器作為接口,將中央電池總線的高壓電源轉(zhuǎn)換為運行所有探測器組件(IC)所需的較低電壓??馆椛淇刂破魈峁└咚降霓D(zhuǎn)換效率,同時較大限度地減少電源浪費。功率損耗會產(chǎn)生熱量,多余的熱量會損害組件。而在火星稀薄的大氣層中,消除多余的熱量則更有挑戰(zhàn)性。
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圖片由NASA/JPL提供 - Cal Tech
奠定基礎(chǔ),迎接更大的任務(wù)
火星2020探測器肩負(fù)幾項實驗,這些實驗主要是針對未來的任務(wù)。MOXIE(火星氧氣原位資源利用實驗)可能是最具雄心的實驗,它將測試一種從火星稀薄的大氣中提取氧氣的方法。MOXIE將證明,將火星上的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣是否可能。如果成功,未來發(fā)布的MOXIE技術(shù)將成為執(zhí)行其他火星任務(wù)的重要組成部分,為火箭燃料提供氧氣,為未來的探險者和居民提供可呼吸的空氣。還可乘坐“毅力”號的直升機Ingenuity旅行。這架由太陽能驅(qū)動的無人直升機將在火星稀薄的大氣層(只有地球大氣層的百分之一)中測試飛行穩(wěn)定性,并尋找優(yōu)質(zhì)的探索地點和最安全的探測器行駛路線。
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圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech
火星毅力號探測器配有Ingenuity,這是首架可在另一個星球上飛行的直升機。
Ingenuity: 火星直升機
毅力號2020火星探測機器人腹部攜帶一架4磅重的太陽能直升機前往火星。雙旋翼以每分鐘2400轉(zhuǎn)的速度向相反方向旋轉(zhuǎn)——比地球上的直升機快很多倍。這架微型直升機需要產(chǎn)生足夠的升力,才能在火星稀薄的大氣層(僅為地球的百分之一)中飛行。-130℉的低溫促使Ingenuity突破極限,安全經(jīng)歷火星上的夜晚。
圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech
從2014年到2019年,噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)的工程師們在特殊的空間模擬器中測試越來越先進(jìn)和輕量化的模型。2020年7月30日,最終的火星探測器從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地升空,開始向著火星進(jìn)行Atlas V星際飛行,計劃于2021年2月18日著陸——飛行歷時7個月,共飛行1.3億英里。
Ingenuity將在火星上進(jìn)行為期30天的測試,嘗試進(jìn)行5次可控的動力飛行,飛行時間長達(dá)3分鐘,飛行高度高達(dá)1000英尺。測試飛行期間獲取的數(shù)據(jù)將為下一代直升機增加火星探測空間維度信息——方便探測機器人和探測人員進(jìn)行探測,傳輸輕型有效載荷,以及探索難以到達(dá)的地點。
這項任務(wù)是想要測試能否成功實現(xiàn)飛行。如果試飛成功,這架直升機將成為首架在另一個空間飛行的飛機。負(fù)責(zé)火星直升機任務(wù)的項目經(jīng)理Mimi Aung表示:“如果我們能夠證實能在火星上進(jìn)行動力飛行,那么我們希望未來,火星直升機能在探索火星時發(fā)揮重要作用。”
在火星探測器命名比賽中,來自阿拉巴馬州諾斯波特的高中生Vaneeza Rupani提交了“Ingenuity”這個名稱。但是,考慮到JPL工程師們?yōu)榱俗岋w機成功飛行而進(jìn)行了大量的創(chuàng)新思考且付出了大量努力,NASA認(rèn)為這架直升機更適合以“Ingenuity”為名。
Vaneeza Rupani寫到:“Ingenuity讓人們能夠完成驚人之舉。”
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圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech
這架直升機采用反向旋轉(zhuǎn)的同軸旋翼,直徑約1.2米(4英尺),頂部裝有用于充電的太陽能電池板。底部裝有一個高分辨率攝像機,方向朝下,用于幫助探測器導(dǎo)航、著陸和科學(xué)測量地形。
抗輻射技術(shù)的歷史
“毅力”號上包含執(zhí)行火星探測任務(wù)所需的關(guān)鍵的63個ADI元器件。ADI市場經(jīng)理兼應(yīng)用工程師Kristen Chong表示:“這些部件涉及從RF/μW到運算放大器、從電源管理到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等多個領(lǐng)域。我們將繼續(xù)與NASA/JPL合作,迎接新的太空計劃挑戰(zhàn)?!?/p>
ADI與NASA/JPL的合作可以追溯到20世紀(jì)80年代初,雙方一直致力于推動突破技術(shù)極限,開發(fā)關(guān)鍵元器件、自定義程序和抗輻射技術(shù)。無論其功能是什么,或要執(zhí)行什么任務(wù),每個元器件都要面對最惡劣的環(huán)境條件,包括極端重力、振動、溫度波動和輻射。
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圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech:“朱諾”號太空探測器
NASA/JPL的“朱諾”號太空探測器于2011年8月5日發(fā)射升空,歷時近5年,穿越深空中的各種極端環(huán)境,于2016年7月4日抵達(dá)木星周圍的軌道?!爸熘Z”號探測器的任務(wù)是:了解氣體巨行星和其他行星是如何形成的。“在太陽系所有的惡劣輻射環(huán)境中,木星可能位居第一”,來自ADI的Kristen Chong表示?!澳拘堑拇艑釉谄浞栋瑐愝椛鋷е胁东@了大量輻射,這個量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們行星周圍或太陽系內(nèi)的其他行星周圍的輻射帶?!边@使得“朱諾”號成為一項極具風(fēng)險的任務(wù),需要大大提高其電子設(shè)備的抗輻射性能?!?/p>
ADI的AD590S是一種抗輻射溫度傳感器,被用于執(zhí)行“朱諾”號任務(wù)。當(dāng)宇宙飛船從它所環(huán)繞的行星的陰影中出來,然后進(jìn)入到太陽的直射光線中,溫度范圍時刻都在變化。即使被置于陽光下,宇宙飛船內(nèi)部面向太陽的一面和背向太陽的一面之間的溫差也會很大。這些溫度波動會對太空探測器內(nèi)部的集成電路產(chǎn)生顯著但可預(yù)測的影響。從溫度傳感器獲取的信息可用于調(diào)整和補償宇宙飛船上的溫度變化。
在使用了近20年之后,ADI的ad590仍在繼續(xù)收集溫度數(shù)據(jù)。作為運行記錄的佐證,AD590S被NASA/JPL選中,用來執(zhí)行2020年度“毅力”號任務(wù)。
輻射造成的有害影響
在地球磁場保護(hù)范圍之外飛行的航天器會受到太陽輻射的有害影響。輻射會產(chǎn)生隨機誤差,使處理設(shè)備復(fù)位,甚至損壞元器件。輻射影響包括:
- 單粒子效應(yīng):單個離子或粒子撞擊設(shè)備的特定區(qū)域,導(dǎo)致出現(xiàn)各種奇怪現(xiàn)象和誤差。
- 總電離輻射劑量(TID):在部件的整個使用壽命期間,電離輻射對部件產(chǎn)生的長期累積效應(yīng)。TID可能會導(dǎo)致偏移,例如增加某些元器件的供電電流。
- 位移損傷(DD):大粒子(例如中子)可以破壞硅芯片的晶體結(jié)構(gòu),造成物理損傷。
輻射測試
凌力爾特(LTC)以其高性能電源管理系統(tǒng)而聞名,于2017年被ADI收購。LTC工程師前往某些工廠,例如德州農(nóng)工大學(xué)的回旋加速器研究所,與NASA/JPL合作確定適合用于太空環(huán)境的部件。他們采用各種各樣的工藝來減輕或增強輻射耐受性。
“當(dāng)IC無法正常工作時,他們會聯(lián)系我們,提出具有挑戰(zhàn)性的問題。我們會派員工前往德克薩斯大學(xué)城,解決輻射認(rèn)證過程中的問題”,ADI現(xiàn)場應(yīng)用工程師John Guy表示?!坝幸淮?,我們最初的元件設(shè)計師和FAE一起來檢查輻射測試過程中是否出現(xiàn)了任何異常行為?!碑?dāng)時,該設(shè)計師和FAE與NASA/JPL的工程師一起合作,共同分析問題,進(jìn)行測試,確定它是應(yīng)用層面的問題還是核心設(shè)計問題,并開發(fā)出最終的抗輻射產(chǎn)品。
質(zhì)量控制、性能和壽命
40多年來,ADI一直與NASA/JPL合作開發(fā)能夠承受太空中最惡劣的環(huán)境條件的抗輻射技術(shù)。這些元器件不僅性能出色,而且在許多情況下超出了所有預(yù)期,甚至超過任務(wù)要求規(guī)定的年限數(shù)年甚至數(shù)十年。
雙方的長期合作表明,NASA/JPL對我們的產(chǎn)品、嚴(yán)格的測試的流程,以及我們秉持的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)一直持續(xù)信任。這也證明了ADI的現(xiàn)場服務(wù)、深厚的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識,以及在幾代太空任務(wù)中使用的技術(shù)的價值。
ADI向我們的地面應(yīng)用客戶證實了自己的標(biāo)準(zhǔn)和價值,與太空應(yīng)用相比,這些客戶的應(yīng)用要求較低。如果特定的元器件能在最惡劣的太空環(huán)境中堅持幾十年,這表明它們更可靠、更值得信賴,更有可能在地球上無故障運行——無論是在制造廠、電動汽車還是醫(yī)院外科病房內(nèi)。
著眼于未來的合作伙伴
像NASA/JPL一樣,我們展望未來,渴望處于創(chuàng)新的中心——保持好奇心,學(xué)著適應(yīng),并且能夠打破傳統(tǒng)思維。如果說ADI過去50年的歷史教會了我們什么,那就是:未來的新技術(shù)突破將推動工業(yè)走上新的道路,并以如今我們無法想象的方式塑造我們的世界。我們的愿景是解決復(fù)雜、有意義、最具影響力的挑戰(zhàn),并保持較領(lǐng)先。
“毅力”號火星探測器任務(wù),以及接下來的許多任務(wù)都只是宏大計劃的一小部分。NASA負(fù)責(zé)在2024年之前讓宇航員重返月球,并且計劃在2028年之前建立持續(xù)載人計劃,為人類探索火星做好準(zhǔn)備。ADI決心參與這場偉大的探索。