好奇地钻

通过 艾米丽·斯图尔特·拉克达沃拉

要在另一行星上远程操作流动站,使其能够收集和分析样本,就需要进行广泛的计划,进行故障排除并做出妥协。

工程 技术

当前的问题

这篇文章从发行

2018年5月至6月

第106卷第3期
第148页

DOI: 10.1511 / 2018.106.3.148

一切都完全按照脚本进行了。 2012年8月6日登陆日,火星科学实验室的火星车(在2009年美国学生的公开比赛中被命名为好奇号)成为有史以来最复杂的任务,超越了地球。但是其发展需要十多年的巨大努力。它的成功取决于新技术的发明。开发计划中的挑战迫使NASA推迟了发射计划,付出了高昂的财务成本。最初是为2007年的发射机会提出的,但最终于2011年11月出发前往火星。

好奇心始于NASA火星希望的残骸。 1998年有两艘航天器发射到火星。两者都没有幸存。两次灾难可能再次注定了NASA的火星计划。但是,在宣布从南极洲发现的火星陨石中可能存在化石的消息宣布之后,美国公众热情支持NASA寻找火星生命。

由NASA / JPL-Caltech提供

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NASA在水星号和维京人号上取得了早期的成功,尽管维京号着陆器强大的(且昂贵的)生命探测实验未能揭示火星上有生物活性的迹象。维京人在1980年代跟随火星探索进行了漫长的中断,而1990年代对火星的任务大多残酷无情。美国宇航局于1992年发射升空的火星观测器,在抵达地球前几天就失败了。俄罗斯任务火星96号未能离开地球停放轨道。但是到本世纪末,情况一直在好转。火星全球测量师(Mars Global Surveyor)于1997年成功进入轨道,并于1999年开始其制图任务。1997年夏天,一个名为Sojourner的六轮小机器人在世界各地坠入爱河,该机器人在NASA的探路者着陆器上徘徊了三个月,并分享每日报告和火星的照片发布在互联网的新媒体上。美国公众愿意支持火星的另一次尝试。

火星极地着陆器和火星气候轨道器失败一年后,美国宇航局宣布了重新制定的火星计划。他们的目标是:搜索火星的现在和过去的地质情况,以寻找可以维持生命的各种环境。这项搜索将需要“在火星周围的轨道上以及在表面进行长时间的探索而持续存在”。与两个火星全球测量员一起进入轨道的有两个,即2001年的“火星奥德赛”(将于2001年发射)和“火星的侦察”轨道器(2005年)。美国宇航局还宣布了两项巡回飞行任务:双星火星探索漫游者号(2003)和“移动科学实验室”,最早将于2007年发射。

样品处理

从一开始,这就是一个雄心勃勃的使命。这个流动科学实验室将为维京人提供火星表面大小的一套科学仪器。但是,这种强大的科学能力可能会在车轮表面移动。 NASA承诺精确降落,靠近火星表面一个非常有趣的地质地点。他们还提出了两个地球年的生命,比“探路者”的一个月生命或“火星探索漫游者”的三个月长得多。最后,想要携带可吞噬火星岩石的分析实验室仪器的意图需要全新的样品处理技术。

NASA总共为任务有效载荷选择了10台仪器。这是一个巨大而令人兴奋的乐器包。一些遥感仪器会从远处(主要是从遥感桅杆的顶部)研究景观。其他的原位仪器将研究机器人手臂末端转塔上的岩石和土壤,或测量流动站所经历的环境。最后,在流动站车体内埋藏着两个分析实验室仪器,它们可以接受岩石,土壤和大气样本,以进行详细研究。

地质学家对在火星上进行X射线衍射和X射线荧光检查的前景垂涎三尺。火星表面上所有以前的矿物鉴定方法都是间接的。只要样品中含有晶体,这些测量都是诊断性的。这些仪器可以灵敏地研究大气中的气体同位素,可以跟进甲烷的可能发现,并且能够检测有机物,从而有可能找到有关火星生命的直接证据。

一组仪器让他们既兴奋又沮丧:工程师们必须找到空间,质量和力量,才能将它们全部容纳在流动站中,而不必介意操作具有如此众多功能的机器。

初步设计审查后,样品处理方法发生了变化。钻头将同时刺入岩石并使其粉化,将其钻入样品室。然后,钻头会将物料从样品室转移到手臂上的设备中,该设备可以筛分,分配正确的样品并将其输送到等待的科学仪器中。手臂末端增加了样品处理硬件,使转塔的重量从15公斤增加到34公斤。 2米长的手臂及其5个电机需要比计划的坚固得多,以支撑所有重量。

2008年5月25日,凤凰城号任务降落在火星北部高纬度地区。尽管着陆进行得很顺利,美国宇航局预示着它取得了成功,但在为期5个月的短暂任务中,凤凰号在尝试对火星土壤和冰进行采样并将其运送到实验室仪器时遇到了令人沮丧的问题。一阵风把样品吹离仪器的门。当采样材料确实掉落到仪器上时,火星土壤往往会结块并粘连,即使通过振动筛子也无法通过保护仪器免受大颗粒污染的筛子掉落。凤凰城的困难使好奇号的团队感到震惊。

样品处理小组在流动站的前端安装了插脚和其他工具,以使其能够p出顽固的垃圾,并在带有托盘,漏斗和其他装置的“样品运动场”中将样品倒出进行目测检查。他们在样品入口周围和整个样品分配装置上增加了挡风板。他们将样品分配器从直管修改为倒漏斗形,以确保样品材料不会像在Phoenix上那样被卡住。

接地

好奇心降落在大风火山口的北层,海拔低于火星基准面4,501米。盖尔(Gale)是火星上最深的洞之一,显示出明显的证据,表明水曾经从火山口周围的高地流过轮缘的缝隙,然后在火山口底部沉积了重叠的冲积扇。

大风火山口的中心是一个高5公里的丘陵,中央丘陵是分层沉积物,正式命名为“风神蒙斯”。科学团队将山称为夏普山,以加州理工学院的先驱行星地质学家罗伯特·夏普(Robert Sharp)为例。美国宇航局的火星勘测轨道器在盖尔最底层的岩石中发现了粘土,硫酸盐和赤铁矿的光谱迹象,所有这些迹象都是在不同的潮湿环境中形成的。到达山的最低坡度研究这些岩石是科学团队的主要目标。好奇心面对漫长的行驶-轨道飞行时超过9公里,而轮式漫游车躲避障碍的时间更长。

“好奇号”在sol 176上获得了第一个钻探样品。 溶胶 这个术语是在维京任务期间创造的,平均时间为24小时39分钟35.244秒。)第一次钻探样本的分析被一个重大异常中断。恢复后,由于太阳的共同作用,流动站的运行几乎立即又停止了。当太阳位于地球天空与火星的3度范围内时,无线电通讯会受到太阳无线电辐射的影响。结盟后,该漫游车在附近的名为坎伯兰(Somber 279)的地点进行了第二次钻探。

对钻探材料的早期印象表明,好奇心已实现其科学目标:任务成功地探索了至少一个目标环境的生物潜力,并收集了必要的数据,以得出结论认为该环境具有生物学相关性(静止的水)。湖底)。考察团在着陆前对着陆点的区域地质特征进行了描述,并随后利用科学仪器成功进行了化学,矿物学和同位素分析。古代火星岩石中水的同位素测量结果证实了轨道科学结果,表明火星已经失去了大部分大气层。好奇号的最后一个目标是表征表面辐射。完成所有关键的首次活动并实现最低的任务成功率后,科学团队便可以继续他们的驾驶冒险。

到2015年,好奇号在火星上走了10多公里,但其科学承诺的全部深度仍未实现。当火星车驶入火星的第二年时,它刚刚到达了科学团队希望研究的那座山的底部。好奇心到达了Sol 751的基部Sharp山基岩。自1800年sol以来,好奇心已尝试在20个位置进行采样,其中17个导致成功获取样品并随后交付。即使任务将在明天结束,科学家也将致力于解释好奇号的数据数十年。当然,特派团希望比这更长的生存时间。

硬体

好奇心具有使用称为样本采集,处理和处理(SA / SPaH,发音为“锯齿”)系统的硬件集合与火星表面互动的空前能力。 SA / SPaH包括机械臂和转塔,钻头以及称为“现场火星岩石分析收集和处理”(CHIMRA,发音为“ chimera”)的样品铲取/筛分/分配装置。 SA / SPaH中还包括除尘工具(DRT,但通常简称为“刷子”),固定在流动站前部的各种固定硬件,用于支持采样和钻孔活动,称为“采样场”,以及电动入口盖板和用于仪器的弹簧式挡风板。

由NASA / JPL-Caltech /亚利桑那大学提供

好奇心很大。它从炮塔底部到炮塔中心长2.2米。手臂重101公斤;仅炮塔就是其中的34个炮塔直径约为60厘米。刀塔的核心是钻头。科学仪器通过隔振装置与钻机分开,以减轻来自CHIMRA和钻机撞击的振动影响。手臂的动作缓慢而刻意,其尖端以每秒1厘米的最大速度运动。好奇号的钻头是一种敲击工具,可敲打其旋转钻头,钻出1.6厘米宽,最大6.5厘米深的孔。钻头具有四个电机:钻头进给机构,用于上下移动钻头;钻头主轴机构,以旋转钻头;打击乐器;以及一个钻夹头机构,该机构可以释放钻头组件,并从流动站前部的两个钻头盒之一中将其更换为新钻头组件。 (好奇心仍在使用原始的钻头;尽管它不像以前那样有光泽,但并没有显着变钝。)

计划变更

发射之前和之后,都有几个问题影响了演习。一是钻头的潜在污染,导致好奇号的行星保护状态重新分类。此外,在2011年11月发射前不久,进行钻探操作测试的工程师发现,钻头组件的工程模型内部的密封件在钻探过程中发生滑动,从而产生了聚四氟乙烯碎屑,这些碎屑与钻出的岩粉混合在一起。这是一个潜在的严重污染源,可能会损害流动站探测火星岩石中有机物质的能力。但是污染量很小,以至于不会影响结果,而且自着陆以来,在钻探样品中没有发现特氟隆污染的迹象。

在2011年对钻床机构的试验台版本进行地球测试时,发现了另一个潜在的严重问题。如果工程师不迅速采取行动,衬套折断会导致试验钻中发生短路,这可能会使流动站的电动机控制器炸毁。这样的事件在火星上发生的后果将是可怕的。现在对飞行训练进行任何更改为时已晚。佛罗里达的工程师打开了流动站的腹部,安装了“战斗短路”装置,如果在飞行中发生这种短路,该短路装置会将多余电流的一半接地。在sol 911上,当好奇号正在使用钻头打击乐器将样品从钻头传送到CHIMRA时,传感器检测到流经战斗的电流,从而停止了操作。没有办法知道原因是否与地球上发现的问题相同,但是效果相似。自sol 911起,短裤便屡见不鲜,但断断续续且极为简短。如果它们保持这种状态,那么战斗就可以充分保护电子设备。

同时,任务已经转移,避免了依靠CHIMRA振动来使用钻探进行样品转移。他们还改变了钻头的操作方式:最初,他们以中等的敲击水平开始钻探,并根据钻速进行调整,但现在他们的敲击声非常轻,仅根据需要增加钻速。

由NASA / JPL-Caltech提供

在sol 1536上,工程师尝试在名为Precipice的站点进行仅旋转钻探。该操作未完成,因为钻头进给机构立即停止运转。电流流到钻头进给电机,但电机没有运动。像冲击机构的问题一样,它是间歇性的,因此很难进行故障排除,但它似乎位于钻进给制动机构中。自此事件以来,流动站未进行任何钻探。

钻进给电机具有一个断电制动器:当没有电流流向制动器时,一个盘片(可移动制动器)通过一组弹簧压向另一个盘片(固定制动器)。即使在敲击,振动和旋转机制运行时,压力也能将钻头进给牢固地固定在位置上。给螺线管通电会使可动制动器脱离固定制动器,从而使钻进给马达旋转蜗杆驱动器,从而缓慢地将钻进给移出或移入。该制动器具有两个螺线管,以实现冗余。

解决该问题的工程师发现,用正常命令的电流给两个螺线管通电都不会产生任何进给运动。使用经过调整的参数(例如,更大的电流,为两个螺线管供电而不是为一个电磁阀供电,多次尝试松开制动器等等)的命令产生了一些运动,但并不可靠。团队强烈怀疑移位的零件或异物碎片会干扰可动制动器的运动,从而在命令时阻止其完全脱离。

从2016年12月到2017年3月,工程师进行了测试和诊断,以恢复钻探进给的全部使用。在开发了几种创新技术之后,他们实现了全范围的进给运动,尽管速度太快而无法钻入岩石。但是,在使用CHIMRA在sol 1651(2017年3月29日)的Ogunquit海滩上筛分砂子样品后,工程师发现钻进料的性能下降了。

工程团队正在寻求一种不需要使用钻头进给的新钻孔和样品传送方法。他们在sol 1780上成功地将进给扩展到了110毫米的整个距离。在地球上,他们正在努力开发执行进给扩展钻探的能力,使用手臂运动代替进给运动将钻头推进到岩石中。进料扩展钻井的初步测试始于1848年sol的火星。尽管这种机制可以恢复钻井能力,但不使用进料也可以防止样品材料转移到CHIMRA。未来进料扩展的样品传输可能涉及从样品室通过钻头反向进料,然后直接进入仪器。将物料从钻头转移到CHIMRA的唯一其他方法是将钻好的物料倾倒在某个地方,然后用铲子再次将其捡起,这是一个困难甚至不可能的提议。

滚动

着陆后超过5年,好奇号仍在火星上运作,这证明了一支庞大的人类团队的奉献精神和关注重点,这使它保持安全和高效。科学团队有500多名成员,分布在世界各地。在流动站的开发,发射,巡航,着陆和地面操作过程中,来自12个国家的7,000多人参与了此次任务。截至2017年10月,特派团使用特派团数据统计了250名同行成员审阅的出版物和157名非团队成员进行的同行评审的出版物。

许多对发展至关重要的人现在正在着手执行任务的后代(现称为“火星2020”),该后代将重复使用巡航阶段和进入,下降和着陆结构的设计,以提供好奇心般的漫游者(尽管不同的科学软件包)以收集火星上的样本,以进行假设的未来样本返回任务。

2017年底,这辆漫游者爬上了维拉·鲁宾岭(Vera Rubin Ridge),第一次看到了它以外的山谷。它停下来拍摄了1943年sol的自画像。山脊和山谷代表了好奇心的新岩石和新历史,并有一支由500名成员组成的科学团队来探索。


本文摘录并改编自 好奇心的设计与工程:火星漫游者如何执行工作 (2018年3月),©Emily Lakdawalla,经Springer-Praxis许可。

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