“毅力”號火星探測器和極端環(huán)境下的抗輻射技術(shù)

時間：2022-04-24 17:23:10

關(guān)鍵字： ADI 火星探測器電源管理

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[導(dǎo)讀]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。

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(shí)驗(yàn)?！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(yàn)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)?！耙懔Α碧柸蝿?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(shí)驗(yàn)室(JPL)是美國的國家研究機(jī)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(jī)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(diǎn)。

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)?！耙懔Α碧柕氖讉€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。

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(xiàng)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。“毅力”號基于高壓電池總線運(yùn)行，以實(shí)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(fèi)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(yùn)行所有探測器組件(IC)所需的較低電壓。抗輻射控制器提供高水平的轉(zhuǎn)換效率，同時較大限度地減少電源浪費(fèi)。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。

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(xiàng)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)主要是針對未來的任務(wù)。MOXIE(火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn))可能是最具雄心的實(shí)驗(yàn)，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(jī)Ingenuity旅行。這架由太陽能驅(qū)動的無人直升機(jī)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(diǎn)和最安全的探測器行駛路線。

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(jī)。

Ingenuity: 火星直升機(jī)

毅力號2020火星探測機(jī)器人腹部攜帶一架4磅重的太陽能直升機(jī)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(jī)快很多倍。這架微型直升機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)增加火星探測空間維度信息——方便探測機(jī)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(diǎn)。

這項(xiàng)任務(wù)是想要測試能否成功實(shí)現(xiàn)飛行。如果試飛成功，這架直升機(jī)將成為首架在另一個空間飛行的飛機(jī)。負(fù)責(zé)火星直升機(jī)任務(wù)的項(xiàng)目經(jīng)理Mimi Aung表示：“如果我們能夠證實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)更適合以“Ingenuity”為名。

Vaneeza Rupani寫到：“Ingenuity讓人們能夠完成驚人之舉?！?

圖片由NASA/JPL提供 -Cal Tech

這架直升機(jī)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(jī)，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(yùn)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)?！?

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。

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?！霸谔栂邓械膼毫虞椛洵h(huán)境中，木星可能位居第一”，來自ADI的Kristen Chong表示。“木星的磁層在其范艾倫輻射帶中捕獲了大量輻射，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(xiàng)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。”

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(bǔ)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(yùn)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(jī)誤差，使處理設(shè)備復(fù)位，甚至損壞元器件。輻射影響包括：

l 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。

l 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。

l 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(qiáng)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(shí)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(yùn)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。