对于美国宇航局的“毅力”号火星车来说，在经历了一次戏剧性的下降后，它在火星上着陆，包括一个隔热罩、一个降落伞和一个火箭动力的“天空起重机”，它通过电缆将火星车降至火星表面。火星车的主要任务之一是在这颗红色星球上寻找以前存在生命的迹象。它还有一个不太为人所知的任务:测试能够支持人类生命的机器。万博1manbetx
火星之旅将需要大量的氧气——其中一些是供宇航员呼吸的，但大多数是液态的，用于在回程中燃烧燃料。一个四人小组需要25吨(55000磅)。从地球上发射这些物质将花费数十亿美元，并涉及复杂的物流，所以NASA计划原位资源利用——利用他们在现场找到的东西。从两极开采冰来获取氧气将是一个艰巨的过程。相反，他们希望通过将氧原子从二氧化碳中分离出来，从大气中提取氧气，二氧化碳占大气的95%。
“如果我们在火星上打破一些东西，你就无法发送任何人来解决它，你已经完成了。所以，我们有一堆步骤，以便我们非常自信，而计算机模型，数字双胞胎是其中一个关键步骤。“
Eric Hinterman，麻省理工学院航空航天系博士生
坐在坚持不懈的腹部是一个关于汽车电池尺寸的金色涂层盒：火星氧气原位资源利用实验，或Moxie。除了缩写，这个设备在麻省理工学院设计，它的名字Moxie.，意思是勇敢的精神，这个词来源于马萨诸塞州发明的碳酸饮料莫西。作为人类任务的微型版本，它将至少运行10次，测试其能力的极限。”我们正在寻找加速人类进入火星的途径，”他说迈克尔•赫克特博士他是麻省理工学院这个项目的负责人。“我们希望能更快、更低风险、更低成本地实现这一目标。”
该装置包含两个主要部件：气体压缩机和固体氧化物电解槽（SOXE），其分裂有限公司2使用热能和电。这些部件周围是管道、阀门、过滤器、传感器、电源和一台小型计算机。加利福尼亚喷气推进实验室（JPL）的莫西“双胞胎”工程模型用于在任务控制向远方的莫西发送命令之前进行测试。另一个孪生兄弟只存在于软件中，Hecht的MIT团队在工程模型上尝试命令之前运行该软件。
在位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室里，一个几乎与MOXIE一模一样的工程双胞胎被用于测试。(图片由NASA/ jpl -加州理工学院提供)
MOXIE内部配备SOXE组件(图片由NASA/JPL加州理工学院提供）
“如果我们在火星上弄坏了什么东西，你就不能派任何人去修理它，你就完蛋了，”埃里克·亨特曼说，他是该项目副负责人、前宇航员杰弗里·霍夫曼实验室航空航天系的博士生。Hinterman设计了软件模拟。”因此，我们有一系列步骤，因此我们非常自信，而计算机模型，数字孪生兄弟，就是其中一个关键步骤。”
反复检查
“MATLAB一问世就改变了我的职业生涯，”赫克特说。“它就像一个袖珍计算器，让你可以担心其他事情，而不是手工计算和绘图。”在20世纪80年代，如果他发现了一个问题，他就会去马萨诸塞州纳蒂克的MathWorks办公室。1990年左右，他开始编写MATLAB®组件。MATLAB非常适合MOXIE项目。
“我在建筑方面有相当多的经验，但它们很少能完全按照你的设计实现。让我惊讶的是，这个模型离预测结果如此之近。”
Eric Hinterman，麻省理工学院航空航天系博士生
MathWorks的软件工程师Piyush Khopkar是MOXIE技术人员和运营团队的成员，他表示，使用Simulink的决定是正确的万博1manbetx®，用于建模和仿真的图形环境，非常简单。Simulink连接到MATLAB，MATLAB包含一个数学函数库和特定于应用程序的函数库，因此万博1manbetx“您不需要重新发明轮子”
万博1manbetxMOXIE的Simulink模型。
MOXIE Simu万博1manbetxlink模型是从以前的学生那里传下来给Hinterman的，但是他剥离了它并重写了它。它模拟电路、化学、流体动力学、控制和传感器。“我被迫学习了很多关于电化学的知识，”他说，“这很有趣。”
他模拟了三个控制回路。第一种方法在SOXE中维持一个设定的温度，计算设备产生的热量(电解大约在800摄氏度(1470华氏度))和释放的热量。第二个控制电压以保持电流恒定。第三种通过调节压缩机叶片的旋转速度来确定内部压力。回路还需要建立故障检测模型，并在出现问题时关闭运行。
该模型“相当复杂”，亨特曼说。虽然软件有帮助，但追踪错误并不容易。”有时这是一个嵌套问题，需要花费相当多的时间进行调试。“此外，JPL有时会交换组件，他必须调整他的模型。”因此，跟上物理疗法的进展可能是最大的挑战之一。”
当模拟与工程模型不一致时，“每次都会有不同的结果，”Hinterman说就像温度不完全一致一样。然后我可能会发现绝缘层上有一条裂缝。”
在开发中，当模型与现实不匹配时，Hinterman将与JPL交谈或通过数据进行孔隙，并更改公式或常数。现在，该模型已经证明了地球上，他必须担心火星的旅行可能会改变真正的米西。发射和再入可能会出现震动，或重力差异，灰尘和寒冷可能会导致意外变化。他说，他准备将“火星因素”添加到模型中以模仿红星的现实。
米西伊分解了视图。(图片由NASA/ jpl -加州理工学院提供)
“我有相当多的建筑物的经历，他们很少准确地向他们设计它们，”Hinterman说。将模拟与工程模型进行比较，“这让我感到惊讶，模型的近距离预测会发生什么。”
MATLAB提供模拟与数据，包括万博1manbetx硬件块，大气条件，化学常量，控制系统设定值，如所需的SOXE温度，以及安全限制。万博1manbetxSimulink然后将仿真输出传感器读回MATLAB进行分析。Matlab还从火星上获得真正的Moxie的数据。但真正和虚拟的艾灸不会告诉你一些简单的东西，以及它们产生多少氧气或二氧化碳与一氧化碳的比率。相反，MATLAB计算温度，压力和电压传感器数据的那些值。Hecht说，它还估计Moxie的极限和危险点等的理论价值观。“有一千种不同的小东西需要计算。”
Moxie Simu万博1manbetxlink模型应用程序，自动运行模型仿真。
为了帮助MOXIE操作员运行模拟和解释数据，Khopkar设计了用户界面(ui)。其中一个有虚拟滑块，控制火星参数，如大气条件，和MOXIE参数，如电流和温度。另一个UI显示来自模拟或实际火星实验的数据。Khopkar用一个叫做App Designer的MATLAB环境构建了它们。作为运营团队的一员，他也可以使用这些ui。
完美着陆
毅力号登陆火星后不久，莫希进行了一次健康检查。每两个月至少跑10次，每次大约一小时。它们将越来越具有挑战性，在不同的大气条件和季节以及一天中的不同时间运行，然后尝试不同的模式和运行条件。
“[结果]只有在符合人们的意义上，我们只会在符合适用于应用的所有要求的地面上生产的乐器，并使其成为火星的行为，它使氧气变得一切顺利。”
Micchael Hecht博士，MIT Moxie项目负责人
2021年4月20日，莫西进行了第一次跑步。“磨溪”成功地每小时产生6克氧气，朝着每小时10克的目标迈进。”这是一段相当疯狂的旅程。我们都头晕。然后是时候安顿下来接受回复电子邮件和与媒体交谈的艰苦工作了，但我想看看数据，”赫克特当时说。莫西使用了一些著名的技术，但其中大部分是新领域。”它并不是从火星上大多数东西所拥有的遗产附近的任何地方开始的。”
“结果让我们惊讶的只是它有多么完美，”赫克特说事情不应该那么完美。一种仪器是在地面上生产的，它的性能满足了应用于它的所有要求，它一路飞到火星，制造氧气。这就是你屏住呼吸的部分。”
摩希号在毅力号上的位置(图片由NASA/JPL加州理工学院提供）
他继续，“当我们星期二跑了它时，我们已经持续了两年了，我们持续了两年了，并制作了氧气。当你在两年后把自行车拿出壁橱时，你希望能够解除链子，并不能使几个轴承造成一些轴承并取代轮胎，因为它们可能是旧的并且破裂。我们把Moxie打包在流浪者中，把它倒置，把它通过热循环，并推出它。它坐在真空中并巡航几个月。我们在火星上脱下了它，随着部署的事情而暴力爆炸。然后我们等了。当我们在这些非常恶劣的情况下运行时，就好像没有发生这种情况一样。“
更大更好
这项工作远非完成。“一般来说，控制系统缺乏智能性是最大的挑战，”Hecht说。他喜欢使它更自主，也许通过从地球上传新软件。这将首先需要在模拟中进行测试。
Hinterman正在研究MOXIE的继任者，NASA将在将人类送上火星之前进行部署。它将用14个月的时间生产成吨的氧气。在某些方面，这台机器将面临更大的挑战，而在其他方面，则是更小的挑战。它需要运行更长时间，产生更多氧气，但它将在较低的高度运行，配备更智能的计算机，更好的过滤，更好的传感器，和自我清洁能力。
“真正的价值在于[MATLAB]可以看到所有这些不同的变量是如何相互作用的。。。它可以看到所有这些互动，而人类很难做到这一点。”
Eric Hinterman，麻省理工学院航空航天系博士生
这些都是Hinterman需要模拟的新元素。一个很大的区别是：未来的机器将液化、储存和转移它制造的氧气，而不是将其释放到火星大气中。”在过去的两个月里，我专门为液化系统建模，”他说。
HinterMan正在使用MATLAB优化算法来帮助设计硬件布局。他可以告诉软件可以最大限度地减少质量，它将尝试不同的泵或压缩机，或者是一套操作条件。“真正的价值是它可以看到所有这些不同的变量如何相互相互作用，”他说。“所以，如果选择低温泵而不是机械泵，则可能更低的温度更好。可能是一个较高的温度因某种原因而言更好，并且可以看到所有这些互动，而人类有艰难的时间。“
暂时，Hecht并没有太多想到下一个项目。“我专注于现在跑步这个。”
