「技術(shù)文章」“毅力”號火星探測器上的傳感器MEDLI2

“毅力”號火星車上的MEDLI2傳感器包不僅為未來的任務(wù)收集數(shù)據(jù)；它還展示了如何在太空中使用商用現(xiàn)成部件。

上周，美國宇航局成功地將“堅持”號火星車降落在火星的杰澤羅隕石坑。

關(guān)于進(jìn)入、下降和著陸（EDL）系統(tǒng)如何在火星表面安全著陸的高級描述。圖片由NASA/JPL加州理工學(xué)院提供

因為美國宇航局這次任務(wù)的主要目標(biāo)是獲取有關(guān)火星大氣條件、地貌和微生物生命的未知數(shù)據(jù)，例如，美國宇航局為火星車配備了一系列傳感器，其中許多是現(xiàn)成的商業(yè)部件。

“毅力”號防熱罩上的一套傳感器被稱為MEDLI2設(shè)計用于測量月球車的進(jìn)入、下降和著陸（EDL），以更好地協(xié)助未來的任務(wù) .

我們最近討論了從遠(yuǎn)處為“毅力”號火星車提供動力的設(shè)計挑戰(zhàn). 但是，飛行傳感器在太空旅行和著陸過程中也遇到了自己的挑戰(zhàn)。

在太空中，傳感器需要在極端溫度波動、隨機(jī)振動、沖擊、真空和電離輻射中生存。由于這些原因，專門為航天器制造的部件必須通過執(zhí)行適用的環(huán)境試驗進(jìn)行測試和鑒定。

慣性測量裝置（IMU）、陀螺儀、磁強(qiáng)計、熱電偶和壓力傳感器是深空探測器中常用的傳感器。美國航天局的工程師必須進(jìn)行廣泛的環(huán)境和生命周期測試，以驗證其在空間環(huán)境中的可靠性和耐用性。通常，系統(tǒng)的設(shè)計也是保守的，有安全裕度和備用/冗余單元，以提高可靠性并將風(fēng)險降至最低。

設(shè)計和制造太空級航空電子設(shè)備與商業(yè)產(chǎn)品有著顯著的不同。例如，印刷電路板不能在真空中使用純錫基焊料，這可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的機(jī)械應(yīng)力。此外，錫基焊料可能會產(chǎn)生“錫須”，這是導(dǎo)電的，并可能導(dǎo)致電弧。一旦有效載荷****后，如果沒有能力更換多氯聯(lián)苯，錫須在航天器中尤其危險。

金屬或錫須的不同形狀和特征的圖像。圖片使用由美國宇航局

不過，美國航天局仍然能夠在MEDLI2中使用一些商業(yè)部件，而不會產(chǎn)生任何后果。

MEDLI2是美國宇航局的第二個版本的進(jìn)入、下降和著陸儀器。該儀器包包括三種類型的傳感器，位于后殼體和恒力隔熱板上，包括17個壓力傳感器、17個熱塞和3個熱流傳感器。其目的是獲得EDL期間關(guān)鍵空氣動力學(xué)、氣動熱力學(xué)和熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）性能參數(shù)的數(shù)據(jù)。

之前在MSL任務(wù)期間，最初的梅德利沒有測量后殼的熱通量，所以這個階段的飛行數(shù)據(jù)是這個新任務(wù)的許多第一。新MEDLI可收集以下方面的數(shù)據(jù)：

• 重建氣動阻力

• 車輛姿態(tài)

• 現(xiàn)場大氣密度

• 氣熱加熱

• 湍流過渡

• 深度TPS性能/TPS燒蝕

MEDLI2包括安裝在火星2020隔熱罩上的傳感器、電子設(shè)備和線束。圖片使用由NASA/JPL加州理工學(xué)院提供

這些數(shù)據(jù)將允許研究人員將飛行數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并更新分析模型。

熱流傳感器易受高機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，嚴(yán)重影響其功能。MEDLI2測試了商用熱通量計精確性和生存能力。傳感器套件的候選產(chǎn)品包括Gardon gauges、thermopile和Schmidt-Boelter儀表。

MEDLI2隔熱罩和后殼體上各種傳感器的位置。圖片使用由美國宇航局

美國航天局對每個儀表的功能和生態(tài)影響進(jìn)行了臺架試驗（氣動熱負(fù)荷環(huán)境試驗）。工程師們最終選擇施密特-波爾特壓力計是因為它們在測試中的性能。

高超音速滯止壓力是使用壓力傳感器測量的，范圍為0-35000 Pa，跨越整個試驗周期，包括峰值動態(tài)壓力環(huán)境。

MEDLI的一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，在超音速飛行期間，高超音速壓力傳感器在較低壓力下無法提供足夠的精度。因此，在MEDLI2中，有必要包括一套單獨的超聲波傳感器，其精度在0–7000 Pa范圍內(nèi)。另一個700帕的壓力傳感器位于另一個低氣壓傳感器上。

上周“毅力”號登場時，MEDLI2號的表現(xiàn)如何？美國航天局報告說，探測器成功地顯示了進(jìn)入火星大氣層時的加熱和壓力動態(tài)。MEDLI2在航天器達(dá)到峰值加熱（高達(dá)1300°C）和峰值壓力后繼續(xù)收集數(shù)據(jù)。在進(jìn)入的最后100秒，飛行器仍處于超音速飛行階段。

MEDLI和MEDLI2所用儀器傳感器的比較。圖片使用由美國宇航局

然后，根據(jù)風(fēng)速，MEDLI2壓力傳感器收集有關(guān)方向和車輛性能的數(shù)據(jù)。MEDLI2還使用了許多其他傳感器，根據(jù)過去任務(wù)中丟失的細(xì)節(jié)獲取更多相關(guān)數(shù)據(jù)。美國航天局希望從這次任務(wù)中獲得的見解將最終推動載人火星飛行任務(wù)的設(shè)計。

JPL（噴氣推進(jìn)實驗室）最近表示，一些高清攝像機(jī)在這次任務(wù)中使用的是商用現(xiàn)貨（COTS）零件這為商業(yè)傳感器在未來任務(wù)中的應(yīng)用開辟了可能性。在未來的其他項目中，NASA也有可能平衡抗輻射和COTS組件。