3D rendering of NASA's Mars Perseverance Rover on Mars
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“毅力”号火星探测器和极端环境下的抗辐射技术


为了寻找古代微生物生命的踪迹,史上先进的行星探测器“毅力”号将以每小时11900英里的速度进入火星稀薄的大气层。确认它于2021年2月18日到达火星的传输信息需要11.5分钟才能到达1.3亿英里外的地球。

面对深空高能辐射和极端冷热循环等挑战,探测器将收集岩芯样本并进行仅限于我们想象的实验。“毅力号”科学探测器的重量不到2300磅,采用抗辐射技术,将为人类未来探索太阳系铺平道路。

将航天器和人类送入太空是推动地球技术不断突破边界,勇创新高的试验场。40多年来,ADI不断利用创新,与NASA/JPL合作开发能够承受发射时的极高重力,并满足严格的质量标准,能够适应严苛的太空环境要求的元器件和系统。“毅力”号任务是NASA/JPL和ADI之间的又一次技术合作,也是探索太空的一大里程碑事件。

概览

公司

喷气推进实验室(JPL)是美国的国家研究机构,为美国研发出第一颗绕地卫星,成功制造出第一艘星际飞船,并派遣机器人执行研究所有行星的任务,帮助开启了太空时代。

目标

帮助寻找火星上是否存在生命痕迹、水,以及是否适合人类居住,不断突破技术的极限。将这些技术转向商业领域应用,造福地球上的人类。

挑战

解决棘手的工程问题,使探测器能够在严苛的太空环境中工作,帮助完成探索行星及其卫星、小行星等任务。

应用

将ADI的电源管理、隔离技术、传感器和抗辐射组件用于太空探测仪器和系统。

“毅力”号和探寻远古生命痕迹

3D rendering of the Jezero crater on Mars
在数十亿年前,一个巨大物体与火星相撞后留下一个25英里宽的陨石坑Jezero Crater,被曾经流经火星表面的河道填满,“毅力”号以此作为着陆点。
图片由NASA/JPL提供 -Cal Tech:Jezero Crater,火星

虽然如今,火星表面是一片寒冷、几乎没有空气的沙漠,但科学家们认为,在35亿年前的一个潮湿时期,Jezero Crater中可能存在微生物。这个六轮探测车将在坑槽沉积物中搜索古代微生物是否留下了化学、矿物和地质结构证据。“毅力”号的首个任务是收集数十个岩芯样本,将它们密封在容器中,并存放在火星地表,以便未来执行火星任务时收集并送回地球,供研究人员通过精密仪器进行深入分析。


ADI工程师Kristen Chong描述了她对“毅力”号火星探测器成功登陆火星的兴奋之情,以及我们能从中学到的东西。

支持任务执行

电力是探测器执行仪器、通讯、移动和科学活动的动力之源。对于这项为期11年的探测器任务,可靠的电源和电池寿命至关重要。“毅力”号基于高压电池总线运行,以实现高效率。但是,对于火星探测器99%的电子系统来说,总线直接提供的电压输出太高了。如果不能有效地对中间电压进行降压,该探测器将浪费大量电能,并且电池也需要更频繁地充电。

电源合作伙伴

NASA/JPL选择ADI作为其技术供应商,为他们提供关键的电源管理解决方案。高压、同步、电流模式的控制器作为接口,将中央电池总线的高压电源转换为运行所有探测器组件(IC)所需的较低电压。抗辐射控制器提供高水平的转换效率,同时较大限度地减少电源浪费。功率损耗会产生热量,多余的热量会损害组件。而在火星稀薄的大气层中,消除多余的热量则更有挑战性。

在手机或平板电脑上,点击此模型的AR 3D图标,可在您自己的环境中与“毅力”号互动。
 

图片由NASA/JPL提供 - Cal Tech

奠定基础,迎接更大的任务

火星2020探测器肩负几项实验,这些实验主要是针对未来的任务。MOXIE(火星氧气原位资源利用实验)可能是最具雄心的实验,它将测试一种从火星稀薄的大气中提取氧气的方法。MOXIE将证明,将火星上的二氧化碳转化为氧气是否可能。如果成功,未来发布的MOXIE技术将成为执行其他火星任务的重要组成部分,为火箭燃料提供氧气,为未来的探险者和居民提供可呼吸的空气。还可乘坐“毅力”号的直升机Ingenuity旅行。这架由太阳能驱动的无人直升机将在火星稀薄的大气层(只有地球大气层的百分之一)中测试飞行稳定性,并寻找优质的探索地点和最安全的探测器行驶路线。

Side-by-side 3D renderings of Mars Perseverance Rover and Ingenuity helicopter
火星毅力号探测器配有Ingenuity,这是首架可在另一个星球上飞行的直升机。
图片由NASA/JPL提供 -Cal Tech

点击此处体验,“INGENUITY:火星直升机”

X+

毅力号2020火星探测机器人腹部携带一架4磅重的太阳能直升机前往火星。双旋翼以每分钟2400转的速度向相反方向旋转——比地球上的直升机快很多倍。这架微型直升机需要产生足够的升力,才能在火星稀薄的大气层(仅为地球的百分之一)中飞行。-130℉的低温促使Ingenuity突破极限,安全经历火星上的夜晚。

Perseverance-accompanied-by-Ingenuity

图片由NASA/JPL提供 -Cal Tech

从2014年到2019年,喷气推进实验室(JPL)的工程师们在特殊的空间模拟器中测试越来越先进和轻量化的模型。2020年7月30日,最终的火星探测器从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空,开始向着火星进行Atlas V星际飞行,计划于2021年2月18日着陆——飞行历时7个月,共飞行1.3亿英里。

Ingenuity将在火星上进行为期30天的测试,尝试进行5次可控的动力飞行,飞行时间长达3分钟,飞行高度高达1000英尺。测试飞行期间获取的数据将为下一代直升机增加火星探测空间维度信息——方便探测机器人和探测人员进行探测,传输轻型有效载荷,以及探索难以到达的地点。

这项任务是想要测试能否成功实现飞行。如果试飞成功,这架直升机将成为首架在另一个空间飞行的飞机。负责火星直升机任务的项目经理Mimi Aung表示:“如果我们能够证实能在火星上进行动力飞行,那么我们希望未来,火星直升机能在探索火星时发挥重要作用。”

在火星探测器命名比赛中,来自阿拉巴马州诺斯波特的高中生Vaneeza Rupani提交了“Ingenuity”这个名称。但是,考虑到JPL工程师们为了让飞机成功飞行而进行了大量的创新思考且付出了大量努力,NASA认为这架直升机更适合以“Ingenuity”为名。

Vaneeza Rupani写到:“Ingenuity让人们能够完成惊人之举。”

这架直升机采用反向旋转的同轴旋翼,直径约1.2米(4英尺),顶部装有用于充电的太阳能电池板。底部装有一个高分辨率摄像机,方向朝下,用于帮助探测器导航、着陆和科学测量地形。

图片由NASA/JPL提供 -Cal Tech

抗辐射技术的历史

“毅力”号上包含执行火星探测任务所需的关键的63个ADI元器件。ADI市场经理兼应用工程师Kristen Chong表示:“这些部件涉及从RF/μW到运算放大器、从电源管理到数据转换等多个领域。我们将继续与NASA/JPL合作,迎接新的太空计划挑战。”

ADI与NASA/JPL的合作可以追溯到20世纪80年代初,双方一直致力于推动突破技术极限,开发关键元器件、自定义程序和抗辐射技术。无论其功能是什么,或要执行什么任务,每个元器件都要面对最恶劣的环境条件,包括极端重力、振动、温度波动和辐射。

NASA's Juno space probe flying in space in front of Jupiter
图片由NASA/JPL提供 -Cal Tech:“朱诺”号太空探测器

NASA/JPL的“朱诺”号太空探测器于2011年8月5日发射升空,历时近5年,穿越深空中的各种极端环境,于2016年7月4日抵达木星周围的轨道。“朱诺”号探测器的任务是:了解气体巨行星和其他行星是如何形成的。“在太阳系所有的恶劣辐射环境中,木星可能位居第一”,来自ADI的Kristen Chong表示。“木星的磁层在其范艾伦辐射带中捕获了大量辐射,这个量远远大于我们行星周围或太阳系内的其他行星周围的辐射带。”这使得“朱诺”号成为一项极具风险的任务,需要大大提高其电子设备的抗辐射性能。”

ADI的AD590S是一种抗辐射温度传感器,被用于执行“朱诺”号任务。当宇宙飞船从它所环绕的行星的阴影中出来,然后进入到太阳的直射光线中,温度范围时刻都在变化。即使被置于阳光下,宇宙飞船内部面向太阳的一面和背向太阳的一面之间的温差也会很大。这些温度波动会对太空探测器内部的集成电路产生显著但可预测的影响。从温度传感器获取的信息可用于调整和补偿宇宙飞船上的温度变化。

在使用了近20年之后,ADI的ad590仍在继续收集温度数据。作为运行记录的佐证,AD590S被NASA/JPL选中,用来执行2020年度“毅力”号任务。


辐射造成的有害影响

在地球磁场保护范围之外飞行的航天器会受到太阳辐射的有害影响。辐射会产生随机误差,使处理设备复位,甚至损坏元器件。辐射影响包括:

  • 单粒子效应:单个离子或粒子撞击设备的特定区域,导致出现各种奇怪现象和误差。
  • 总电离辐射剂量(TID):在部件的整个使用寿命期间,电离辐射对部件产生的长期累积效应。TID可能会导致偏移,例如增加某些元器件的供电电流。
  • 位移损伤(DD):大粒子(例如中子)可以破坏硅芯片的晶体结构,造成物理损伤。

辐射测试

凌力尔特(LTC)以其高性能电源管理系统而闻名,于2017年被ADI收购。LTC工程师前往某些工厂,例如德州农工大学的回旋加速器研究所,与NASA/JPL合作确定适合用于太空环境的部件。他们采用各种各样的工艺来减轻或增强辐射耐受性。

“当IC无法正常工作时,他们会联系我们,提出具有挑战性的问题。我们会派员工前往德克萨斯大学城,解决辐射认证过程中的问题”,ADI现场应用工程师John Guy表示。“有一次,我们最初的元件设计师和FAE一起来检查辐射测试过程中是否出现了任何异常行为。”当时,该设计师和FAE与NASA/JPL的工程师一起合作,共同分析问题,进行测试,确定它是应用层面的问题还是核心设计问题,并开发出最终的抗辐射产品。

质量控制、性能和寿命

40多年来,ADI一直与NASA/JPL合作开发能够承受太空中最恶劣的环境条件的抗辐射技术。这些元器件不仅性能出色,而且在许多情况下超出了所有预期,甚至超过任务要求规定的年限数年甚至数十年。

双方的长期合作表明,NASA/JPL对我们的产品、严格的测试的流程,以及我们秉持的质量和标准一直持续信任。这也证明了ADI的现场服务、深厚的领域专业知识,以及在几代太空任务中使用的技术的价值。

ADI向我们的地面应用客户证实了自己的标准和价值,与太空应用相比,这些客户的应用要求较低。如果特定的元器件能在最恶劣的太空环境中坚持几十年,这表明它们更可靠、更值得信赖,更有可能在地球上无故障运行——无论是在制造厂、电动汽车还是医院外科病房内。

着眼于未来的合作伙伴

像NASA/JPL一样,我们展望未来,渴望处于创新的中心——保持好奇心,学着适应,并且能够打破传统思维。如果说ADI过去50年的历史教会了我们什么,那就是:未来的新技术突破将推动工业走上新的道路,并以如今我们无法想象的方式塑造我们的世界。我们的愿景是解决复杂、有意义、最具影响力的挑战,并保持较领先。

Hubble telescope colorized image of space matter with stars

“毅力”号火星探测器任务,以及接下来的许多任务都只是宏大计划的一小部分。NASA负责在2024年之前让宇航员重返月球,并且计划在2028年之前建立持续载人计划,为人类探索火星做好准备。ADI决心参与这场伟大的探索。

“我们将会登上月球。我们将会登上火星。我们将登上外太阳系中行星的卫星。我们将登上彗星。我们将轻手轻脚地从一颗彗星走到另一颗彗星,然后走向恒星。”

Carl Sagan博士

天文学家、宇宙学家、作家、诗人和科学传播者