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    “毅力”號火星探測器和極端環境下的抗輻射技術

    發布時間:2022-05-07 來源:ADI 責任編輯:wenwei

    【導讀】為了尋找古代微生物生命的蹤跡,史上先進的行星探測器“毅力”號將以每小時11900英里的速度進入火星稀薄的大氣層。確認它于2021年2月18日到達火星的傳輸信息需要11.5分鐘才能到達1.3億英里外的地球。


    面對深空高能輻射和極端冷熱循環等挑戰,探測器將收集巖芯樣本并進行僅限于我們想象的實驗?!耙懔μ枴笨茖W探測器的重量不到2300磅,采用抗輻射技術,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不斷突破邊界,勇創新高的試驗場。40多年來,ADI不斷利用創新,與NASA/JPL合作開發能夠承受發射時的極高重力,并滿足嚴格的質量標準,能夠適應嚴苛的太空環境要求的元器件和系統?!耙懔Α碧柸蝿帐荖ASA/JPL和ADI之間的又一次技術合作,也是探索太空的一大里程碑事件。


    概覽


    公司:噴氣推進實驗室(JPL)是美國的國家研究機構,為美國研發出第一顆繞地衛星,成功制造出第一艘星際飛船,并派遣機器人執行研究所有行星的任務,幫助開啟了太空時代。


    目標: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,不斷突破技術的極限。將這些技術轉向商業領域應用,造福地球上的人類。


    挑戰:解決棘手的工程問題,使探測器能夠在嚴苛的太空環境中工作,幫助完成探索行星及其衛星、小行星等任務。


    應用:將ADI的電源管理、隔離技術、傳感器和抗輻射組件用于太空探測儀器和系統。


    “毅力”號和探尋遠古生命痕跡


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    圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech:Jezero Crater,火星


    在數十億年前,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,被曾經流經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,但科學家們認為,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、礦物和地質結構證據?!耙懔Α碧柕氖讉€任務是收集數十個巖芯樣本,將它們密封在容器中,并存放在火星地表,以便未來執行火星任務時收集并送回地球,供研究人員通過精密儀器進行深入分析。


    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,以及我們能從中學到的東西。

    視頻鏈接:https://www.analog.com/cn/education/education-library/videos/6228400411001.html


    支持任務執行


    電力是探測器執行儀器、通訊、移動和科學活動的動力之源。對于這項為期11年的探測器任務,可靠的電源和電池壽命至關重要?!耙懔Α碧柣诟邏弘姵乜偩€運行,以實現高效率。但是,對于火星探測器99%的電子系統來說,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作為其技術供應商,為他們提供關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換效率,同時較大限度地減少電源浪費。功率損耗會產生熱量,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性。


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    圖片由NASA/JPL提供 - Cal Tech


    奠定基礎,迎接更大的任務


    火星2020探測器肩負幾項實驗,這些實驗主要是針對未來的任務。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化為氧氣是否可能。如果成功,未來發布的MOXIE技術將成為執行其他火星任務的重要組成部分,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)中測試飛行穩定性,并尋找優質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轉的速度向相反方向旋轉——比地球上的直升機快很多倍。這架微型直升機需要產生足夠的升力,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,安全經歷火星上的夜晚。


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    圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech


    從2014年到2019年,噴氣推進實驗室(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州卡納維拉爾角空軍基地升空,開始向著火星進行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將在火星上進行為期30天的測試,嘗試進行5次可控的動力飛行,飛行時間長達3分鐘,飛行高度高達1000英尺。測試飛行期間獲取的數據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行探測,傳輸輕型有效載荷,以及探索難以到達的地點。


    這項任務是想要測試能否成功實現飛行。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。負責火星直升機任務的項目經理Mimi Aung表示:“如果我們能夠證實能在火星上進行動力飛行,那么我們希望未來,火星直升機能在探索火星時發揮重要作用?!?/p>


    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工程師們為了讓飛機成功飛行而進行了大量的創新思考且付出了大量努力,NASA認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?!?/p>


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    圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech


    這架直升機采用反向旋轉的同軸旋翼,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,用于幫助探測器導航、著陸和科學測量地形。


    抗輻射技術的歷史


    “毅力”號上包含執行火星探測任務所需的關鍵的63個ADI元器件。ADI市場經理兼應用工程師Kristen Chong表示:“這些部件涉及從RF/μW到運算放大器、從電源管理到數據轉換等多個領域。我們將繼續與NASA/JPL合作,迎接新的太空計劃挑戰?!?/p>


    ADI與NASA/JPL的合作可以追溯到20世紀80年代初,雙方一直致力于推動突破技術極限,開發關鍵元器件、自定義程序和抗輻射技術。無論其功能是什么,或要執行什么任務,每個元器件都要面對最惡劣的環境條件,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日發射升空,歷時近5年,穿越深空中的各種極端環境,于2016年7月4日抵達木星周圍的軌道?!爸熘Z”號探測器的任務是:了解氣體巨行星和其他行星是如何形成的?!霸谔栂邓械膼毫虞椛洵h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,這個量遠遠大于我們行星周圍或太陽系內的其他行星周圍的輻射帶?!边@使得“朱諾”號成為一項極具風險的任務,需要大大提高其電子設備的抗輻射性能?!?/p>


    ADI的AD590S是一種抗輻射溫度傳感器,被用于執行“朱諾”號任務。當宇宙飛船從它所環繞的行星的陰影中出來,然后進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部的集成電路產生顯著但可預測的影響。從溫度傳感器獲取的信息可用于調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仍在繼續收集溫度數據。作為運行記錄的佐證,AD590S被NASA/JPL選中,用來執行2020年度“毅力”號任務。


    輻射造成的有害影響


    在地球磁場保護范圍之外飛行的航天器會受到太陽輻射的有害影響。輻射會產生隨機誤差,使處理設備復位,甚至損壞元器件。輻射影響包括:


    ●   單粒子效應:單個離子或粒子撞擊設備的特定區域,導致出現各種奇怪現象和誤差。

    ●   總電離輻射劑量(TID):在部件的整個使用壽命期間,電離輻射對部件產生的長期累積效應。TID可能會導致偏移,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構,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,例如德州農工大學的回旋加速器研究所,與NASA/JPL合作確定適合用于太空環境的部件。他們采用各種各樣的工藝來減輕或增強輻射耐受性。


    “當IC無法正常工作時,他們會聯系我們,提出具有挑戰性的問題。我們會派員工前往德克薩斯大學城,解決輻射認證過程中的問題”,ADI現場應用工程師John Guy表示?!坝幸淮?,我們最初的元件設計師和FAE一起來檢查輻射測試過程中是否出現了任何異常行為?!碑敃r,該設計師和FAE與NASA/JPL的工程師一起合作,共同分析問題,進行測試,確定它是應用層面的問題還是核心設計問題,并開發出最終的抗輻射產品。


    質量控制、性能和壽命


    40多年來,ADI一直與NASA/JPL合作開發能夠承受太空中最惡劣的環境條件的抗輻射技術。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期,甚至超過任務要求規定的年限數年甚至數十年。


    雙方的長期合作表明,NASA/JPL對我們的產品、嚴格的測試的流程,以及我們秉持的質量和標準一直持續信任。這也證明了ADI的現場服務、深厚的領域專業知識,以及在幾代太空任務中使用的技術的價值。


    ADI向我們的地面應用客戶證實了自己的標準和價值,與太空應用相比,這些客戶的應用要求較低。如果特定的元器件能在最惡劣的太空環境中堅持幾十年,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、電動汽車還是醫院外科病房內。


    著眼于未來的合作伙伴


    像NASA/JPL一樣,我們展望未來,渴望處于創新的中心——保持好奇心,學著適應,并且能夠打破傳統思維。如果說ADI過去50年的歷史教會了我們什么,那就是:未來的新技術突破將推動工業走上新的道路,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雜、有意義、最具影響力的挑戰,并保持較領先。


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    “毅力”號火星探測器任務,以及接下來的許多任務都只是宏大計劃的一小部分。NASA負責在2024年之前讓宇航員重返月球,并且計劃在2028年之前建立持續載人計劃,為人類探索火星做好準備。ADI決心參與這場偉大的探索。



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