「技术文章」“毅力”号火星探测器上的传感器MEDLI2

“毅力”号火星车上的MEDLI2传感器包不仅为未来的任务收集数据；它还展示了如何在太空中使用商用现成部件。

上周，美国宇航局成功地将“坚持”号火星车降落在火星的杰泽罗陨石坑。

关于进入、下降和着陆（EDL）系统如何在火星表面安全着陆的高级描述。图片由NASA/JPL加州理工学院提供

因为美国宇航局这次任务的主要目标是获取有关火星大气条件、地貌和微生物生命的未知数据，例如，美国宇航局为火星车配备了一系列传感器，其中许多是现成的商业部件。

“毅力”号防热罩上的一套传感器被称为MEDLI2设计用于测量月球车的进入、下降和着陆（EDL），以更好地协助未来的任务 .

我们最近讨论了从远处为“毅力”号火星车提供动力的设计挑战. 但是，飞行传感器在太空旅行和着陆过程中也遇到了自己的挑战。

在太空中，传感器需要在极端温度波动、随机振动、冲击、真空和电离辐射中生存。由于这些原因，专门为航天器制造的部件必须通过执行适用的环境试验进行测试和鉴定。

惯性测量装置（IMU）、陀螺仪、磁强计、热电偶和压力传感器是深空探测器中常用的传感器。美国航天局的工程师必须进行广泛的环境和生命周期测试，以验证其在空间环境中的可靠性和耐用性。通常，系统的设计也是保守的，有安全裕度和备用/冗余单元，以提高可靠性并将风险降至最低。

设计和制造太空级航空电子设备与商业产品有着显著的不同。例如，印刷电路板不能在真空中使用纯锡基焊料，这可能会导致灾难性的机械应力。此外，锡基焊料可能会产生“锡须”，这是导电的，并可能导致电弧。一旦有效载荷****后，如果没有能力更换多氯联苯，锡须在航天器中尤其危险。

金属或锡须的不同形状和特征的图像。图片使用由美国宇航局

不过，美国航天局仍然能够在MEDLI2中使用一些商业部件，而不会产生任何后果。

MEDLI2是美国宇航局的第二个版本的进入、下降和着陆仪器。该仪器包包括三种类型的传感器，位于后壳体和恒力隔热板上，包括17个压力传感器、17个热塞和3个热流传感器。其目的是获得EDL期间关键空气动力学、气动热力学和热防护系统（TPS）性能参数的数据。

之前在MSL任务期间，最初的梅德利没有测量后壳的热通量，所以这个阶段的飞行数据是这个新任务的许多第一。新MEDLI可收集以下方面的数据：

• 重建气动阻力

• 车辆姿态

• 现场大气密度

• 气热加热

• 湍流过渡

• 深度TPS性能/TPS烧蚀

MEDLI2包括安装在火星2020隔热罩上的传感器、电子设备和线束。图片使用由NASA/JPL加州理工学院提供

这些数据将允许研究人员将飞行数据与预测数据进行比较，并更新分析模型。

热流传感器易受高机械应力和热应力的影响，严重影响其功能。MEDLI2测试了商用热通量计精确性和生存能力。传感器套件的候选产品包括Gardon gauges、thermopile和Schmidt-Boelter仪表。

MEDLI2隔热罩和后壳体上各种传感器的位置。图片使用由美国宇航局

美国航天局对每个仪表的功能和生态影响进行了台架试验（气动热负荷环境试验）。工程师们最终选择施密特-波尔特压力计是因为它们在测试中的性能。

高超音速滞止压力是使用压力传感器测量的，范围为0-35000 Pa，跨越整个试验周期，包括峰值动态压力环境。

MEDLI的一个关键发现是，在超音速飞行期间，高超音速压力传感器在较低压力下无法提供足够的精度。因此，在MEDLI2中，有必要包括一套单独的超声波传感器，其精度在0–7000 Pa范围内。另一个700帕的压力传感器位于另一个低气压传感器上。

上周“毅力”号登场时，MEDLI2号的表现如何？美国航天局报告说，探测器成功地显示了进入火星大气层时的加热和压力动态。MEDLI2在航天器达到峰值加热（高达1300°C）和峰值压力后继续收集数据。在进入的最后100秒，飞行器仍处于超音速飞行阶段。

MEDLI和MEDLI2所用仪器传感器的比较。图片使用由美国宇航局

然后，根据风速，MEDLI2压力传感器收集有关方向和车辆性能的数据。MEDLI2还使用了许多其他传感器，根据过去任务中丢失的细节获取更多相关数据。美国航天局希望从这次任务中获得的见解将最终推动载人火星飞行任务的设计。

JPL（喷气推进实验室）最近表示，一些高清摄像机在这次任务中使用的是商用现货（COTS）零件这为商业传感器在未来任务中的应用开辟了可能性。在未来的其他项目中，NASA也有可能平衡抗辐射和COTS组件。