从火星大气制造氧气
一个实验在一个火星探测器为人类游客铺平了道路
NASA的毅力罗孚,设置在火星大幅下降涉及防热罩后,降落伞,火箭“天空起重机”,降低了探测器在电缆表面。探测器的主要任务之一是寻找以前的这颗红色星球上的生命的迹象。它也有一种不知名的使命:测试机器可以支持人类生活。万博1manbetx
火星的旅程需要很多oxygen-some宇航员呼吸,但大多数的液体燃烧燃料回程。4名机组人员,需要25吨(55000磅)。发送质量从地球将花费数十亿美元,涉及复杂的物流,所以美国宇航局计划原位资源utilization-using他们找到现场。矿业冰从两极检索氧气将是一个艰巨的过程。相反,他们希望它从大气中分离提取氧原子从二氧化碳,占95%的气氛。
“如果我们把火星上的东西,你不能送任何人去修复它,你就完成了。所以,我们有一大堆步骤,我们非常自信,和计算机模型,数字双胞胎,其中一个关键步骤。”
埃里克•Hinterman博士生在麻省理工学院航空航天系部
坐在毅力的腹部是一个金色涂布盒子大小的汽车电池:火星氧气原位实验资源利用率,或勇气。除了缩写,这个设备,设计了麻省理工学院,得名于勇气,这意味着勇敢精神一词来源于碳酸饮料勇气,发明了在马萨诸塞州。制成的微型版本的来为人类的任务,它将运行至少10次,测试其功能的极限。“我们希望加快将人类火星的路径,”说迈克尔•赫克特博士麻省理工学院的项目负责人。“我们想要发生的早,和更少的风险,和以更少的成本。”
该设备包含两个主要部分:气体压缩机和固体氧化物电解剂(SOXE),将有限公司2利用热量和电能。围绕这些组件管道、阀门、过滤器、传感器、电力供应,和一个小的电脑。一个工程模型的“双胞胎”勇气在加州喷气推进实验室(JPL)是用于测试之前任务控制命令发送到遥远的勇气。另一个双胞胎只存在于软件,赫克特的麻省理工学院的团队运行之前的命令在工程模式。
精力的一个几乎相同的工程的双胞胎是用于测试在实验室在帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室,加州。(图片由美国航天局/姓名)
室内的勇气SOXE组装。(图片由美国航天局/姓名)
“如果我们把火星上的东西,你不能送任何人去修复它,你做完了,”Eric Hinterman说,航空航天系的博士生,杰弗里·霍夫曼的实验室项目的副领导和前宇航员。Hinterman设计软件模拟。“所以,我们有一大堆步骤,我们非常自信,和计算机模型,数字双胞胎,其中一个关键步骤。”
反复检查
“MATLAB时改变了我的职业生涯,”赫特说。“这就像一个袖珍计算器,使你担心其他的事情而不是手工计算和图形绘制他们。“在1980年代,如果他发现一个问题,他会停止在纳蒂克MathWorks办公室,马萨诸塞州。在1990年,他开始写MATLAB®组件。MATLAB是一个适合精力项目。
“我有很丰富的经验建造东西,他们很少会如何设计。它的关闭让我惊讶模型来预测会发生什么。”
埃里克•Hinterman博士生在麻省理工学院航空航天系部
MathWorks总裁Khopkar,软件工程师是谁的勇气技术人员和操作团队,决定使用仿真软件说万博1manbetx®建模与仿真的图形环境,很容易。万博1manbetxMATLAB仿真软件连接,其中包括一个图书馆的数学和特定于应用程序的功能,所以你不需要重新发明轮子。”
万博1manbetx勇气仿真软件模型。
勇气的仿真软件模型传万博1manbetx给Hinterman从以前的学生,但他剥夺了重写它。电路模型,化学、流体动力学、控制和传感器。“我被迫学习很多关于电化学的,”他说,“这是一种乐趣。”
他模型三个控制回路。第一保持设定温度SOXE,占多少热量设备generates-electrolysis发生在约800摄氏度(1470华氏度)——逃多少。第二个控制电电压保持电流恒定。第三个决定内部压力通过调整压缩机叶片旋转速度。循环也需要模型的故障检测和关闭运行时出错。
模型是“非常复杂”,Hinterman说。跟踪错误并不容易,虽然软件帮助。“有时候这是一个嵌套的问题,需要相当多的时间来调试。“此外,喷气推进实验室有时会换出组件,他不得不调整模型。“所以就跟上进展物理勇气可能是最大的挑战之一。”
当模拟与工程不排队模型,“每次都是不同的事情,”Hinterman说。“就像温度并不完全一致。然后我可能会发现有一个裂缝在绝缘。”
在开发中,当模型不匹配现实,Hinterman会跟喷气推进实验室或孔隙和变化的数据公式或常量。现在地球模型证明了自己,他担心如何去火星可能改变了真正的勇气。发射和返回可能动摇起来,或重力差,灰尘,和冷会导致意想不到的变化。他说他准备“火星因素”添加到这颗红色星球上的模型来模拟现实。
勇气的爆炸视图。(图片由美国航天局/姓名)
“我有很丰富的经验建立的事情,和他们很少是如何设计,“Hinterman说。比较仿真和工程模式”,它的关闭让我惊讶模型来预测会发生什么。”
MATLAB仿真软件提供了数据,万博1manbetx包括大小的硬件、大气条件下,化学常数,控制系统选点像期望的SOXE温度、和安全限制。万博1manbetxMATLAB仿真软件发送模拟outputs-sensor读数反馈,进行分析。MATLAB也接收数据从火星上真正的勇气。但现实和虚拟精力充沛不告诉你一些简单多少氧气生产或二氧化碳,一氧化碳的比率。相反,MATLAB计算这些值从温度、压力、和电压传感器数据。也估计更多理论值像精力的限制和危险点,赫克特说。“有一千个不同的小需要计算的东西。”
勇气Simulink万博1manbetx模型应用程序,自动运行模型模拟。
帮助勇气运营商运行模拟和解释数据,Khopkar设计用户界面(ui)。一个虚拟滑动条控制火星参数,如大气状况、和勇气参数,如电流和温度。另一个界面显示的数据仿真或实际的实验在火星上。Khopkar建立它们与MATLAB环境称为应用程序设计师。作为运营团队的一部分,他也可以使用这些ui。
完美的着陆
毅力登陆火星后不久,勇气进行健康检查。它将至少10运行持续大约一个小时,每两个月一次。他们会越来越有挑战性,操作在不同的大气状况和季节和在不同时期的天,然后尝试不同的模式和操作条件。
“[结果]只让我们吃惊的是多么完美…乐器是在地面上与行为,满足所有的应用需求,而且它有火星,这让氧气。”
迈克尔•赫克特博士项目在麻省理工学院的勇气
2021年4月20日,勇气首次运行。勇气成功生成6克每小时的氧气,顺利向每小时10克的目标。“这是一个漂亮的野生。我们都头晕。那么是时候安定下来的努力回答电子邮件和与媒体交谈,但是我想看看数据,”赫特说。勇气用几件熟悉的技术,但是大部分是新的领域。“这才开始与火星接近传统,大多数事情。”
“结果只有让我们吃惊的是多么的完美,”赫特说。“事情完全不应该工作。乐器是在地面上与行为,满足所有的应用需求,都去火星的路上,这让氧气。的部分,你只是屏住呼吸。”
的勇气毅力探测器的位置。(图片由美国航天局/姓名)
他继续说道,“当我们跑它周二,两年前我们已经运行它去年和氧气。当你把你的自行车了两年之后,你希望石油链和unseize几个轴承和替换轮胎可能因为他们老了。我们打包罗孚的勇气,把它倒过来,把它通过热循环,并启动它。他们坐在一个真空,往数月。我们在火星上砸下来,部署与暴力的爆炸事情。然后我们等待着。当我们跑在这种非常恶劣的情况下,就好像没有发生了。”
更大更好
工作还远远没有完成。”一般来说,缺乏现代风格的控制系统是最大的挑战,”赫特说。他想使它更自主,也许距离地球上传新软件。这将需要测试在模拟。
Hinterman正在勇气的继任者,NASA将部署在发送之前人类火星。它将花费14个月产生大量的氧气。在某些方面,这台机器将面临更大的挑战,和在其他方面,较小的。它需要运行的时间更长,产生更多的氧气,但它将运行在较低的高度智能计算机,更好的过滤,更好的传感器和自洁功能。
“真正的价值在于(MATLAB)可以看到所有这些不同的变量相互影响彼此……它可以看到所有这些交互,而人类有一个强硬的时间这样做。”
埃里克•Hinterman博士生在麻省理工学院航空航天系部
这些是新元素Hinterman需要模拟。一个重大的区别:未来的机器就会液化,商店,和传输氧气,而不是释放到火星大气。“我花了过去两个月专门建模液化系统,”他说。
Hinterman使用MATLAB优化算法来帮助设计硬件布局。他可以告诉软件最小化质量,它会尝试不同的泵或压缩机,或一套操作条件。“真正的价值在于,它可以看到所有这些不同的变量相互作用,”他说。“所以,如果你选择低温泵代替机械泵,也许更低温度是更好的。也许更高的温度更好出于某种原因,它可以看到所有这些交互,而人类有一个强硬的时间这样做。”
目前,赫克特没有把太多心思下一个项目。“我现在专注于运行这个。”
