从火星大气中制造氧气

火星漫游车的一项试验为人类造访做好准备


NASA 的毅力号火星车在着陆火星前经历了惊险的下降过程,期间用到了隔热罩、降落伞和火箭驱动的“空中吊车”,吊车通过线缆连接火星车,放低高度直至其顺利接触地表。火星车的主要任务之一是寻找这颗红色星球上过去存在生命的迹象。不过,它还有一个相对低调的使命:测试一台支持人类在火星活动的机械装置。

火星之旅需要大量氧气,其中一部分供宇航员呼吸,但大部分是液态氧,作为返程的助燃剂。如果是一个四人机组,就需要 25 吨的氧气。从地球发射这些物质将花费数十亿美元,而且涉及复杂的物流,因此 NASA 计划就地取材-直接利用现场资源。从两极采冰制氧极为艰难,于是他们转变思路,希望从二氧化碳中分离出氧原子,以此从火星大气中提取氧气,毕竟火星大气的 95% 都是二氧化碳。

视频长度为 2:38

“在火星上,要是什么东西坏了,我们可没法派人修理,那整个计划就完了。因此,我们采取了一系列严密步骤,确保不会出现这种情况,而计算机模型,即数字孪生,就是其中的关键之一。”

毅力号的机腹搭载了一个汽车蓄电池大小的镀金盒子:火星氧气现场资源利用试验仪 (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment),简称 MOXIE。除了是全名的缩写之外,这款由麻省理工学院设计的设备的名字来源于 moxie,意为勇敢的精神——这个词源于于马萨诸塞州发明的碳酸饮料 Moxie。这台装置将运行至少 10 次,测试其能力的极限,以便今后扩大规模、用于载人任务。“我们正在寻求加快人类登陆火星的步伐,”麻省理工学院该项目的负责人 Michael Hecht 博士说道。“我们希望以更低的风险和成本更快地实现这一目标。”

该装置包含两个主要部分:气体压缩机和固体氧化物电解器 (SOXE),后者可使用热能和电力分解 CO 2。这两个核心部件周围则是软管、阀门、过滤器、传感器、电源以及一台小型计算机。MOXIE 在位于加州的喷气推进实验室 (JPL) 有一个工程模型“孪生”,用来提前测试任务控制系统要给远在火星的 MOXIE 发送的命令。另一个孪生完全就是软件,命令在发给工程模型测试之前,会由 Hecht 领导的麻省理工团队先在软件孪生上跑一遍。

金色涂层的 MOXIE 工程孪生。

在 NASA 位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室,有一台与 MOXIE 几乎一模一样的工程孪生,专门用于测试。(图片由 NASA/JPL-Caltech 提供)

MOXIE 内部,左侧有电机和涡旋泵压缩机,右侧有 SOXE 装置。

MOXIE 内部,带 SOXE 装置。(图片由 NASA/JPL-Caltech 提供)

Eric Hinterman 说:“在火星上,要是什么东西坏了,我们可没法派人修理,那整个计划就完了。”他是航空航天系的博士生,在担任该项目副主任的前宇航员 Jeffrey Hoffman 的实验室工作。Hinterman 设计了软件仿真。“因此,我们采取了一系列严密步骤,确保不会出现这种情况,而计算机模型,即数字孪生,就是其中的关键之一。”

双重保险

Hecht 说:“MATLAB 的出现改变了我的职业生涯。它就像一个袖珍计算器,把我从手动计算和绘图中解放出来,从而能够专注于其他事情。”在 80 年代,当他发现问题,他会直接去一趟马萨诸塞州内蒂克市的 MathWorks 办公室。1990 年左右,他开始自己编写 MATLAB® 组件。MATLAB 天然地适合 MOXIE 项目。

“在设计和搭建方面我有不少经验,基本上做出来的跟你想的不完全是一回事。因此,模型预测与实际结果的接近程度着实令我惊讶。”

MathWorks 的软件工程师 Piyush Khopkar 兼顾 MOXIE 的技术和运维,他表示,团队没怎么犹豫,就决定使用 Simulink® 这一建模和仿真图形环境。Simulink 能够连接到 MATLAB,而 MATLAB 有各种各样的数学和专用函数,避免了“重复造轮子”。

Simulink 模型的屏幕截图。

MOXIE 的 Simulink 模型。

Hinterman 接手了上一批博士生留下的 MOXIE Simulink 模型,但他进行了一番拆解,又重写了一遍。模型涉及电路、化学、流体动力学、控制器和传感器。“我不得已学习了很多电化学知识,痛并快乐着。”他说。

他对三个控制回路进行建模。第一个控制回路用于在 SOXE 中保持设定的温度,负责控制设备产生多少热(电解发生在大约 800 摄氏度),以及有多少逸出。第二个控制回路控制电压以保持电流恒定。第三个控制回路通过调节压缩机叶片转速来控制内部气压。这些回路模型还要涵盖故障检测,并在出现问题时关闭。

Hinterman 说,该模型“相当复杂”。尽管软件能帮上忙,但跟踪错误仍然不容易。“有时问题一环套一环,需要调试很久。”此外,JPL 有时会更换组件,此时他必须相应地调整自己的模型。“因此,光是要跟上 MOXIE 实物的发展变化,就已经是非同小可的挑战。”

Hinterman 说,当仿真与工程模型不一致时,“每次都面临新的问题。例如,温度不完全一致。然后我可能会发现隔热层有裂缝。”

在开发过程中,当模型与现实不符时,Hinterman 会联系 JPL 或仔细研究数据,并更改公式或常量。确认模型能在地球上正常工作后,他又要开始考虑火星之旅会让 MOXIE 实物发生哪些变化。发射和进入火星大气层可能使部件晃动,重力差、尘埃和寒冷也可能导致意想不到的变化。他说,他准备在模型中加入“火星因素”,以模拟这颗红色星球上的真实情况。

MOXIE 内部和外部组件示意图,包括压缩机、输入端口面板、传感器面板和 SOXE。

MOXIE 的组装分解图。(图片由 NASA/JPL-Caltech 提供)

Hinterman 说:“在设计和搭建方面我有不少经验,基本上做出来的跟你想的不完全是一回事。”他将仿真与工程模型进行比较后表示,“模型预测与实际结果的接近程度着实令我惊讶”。

MATLAB 为 Simulink 提供数据,包括各个硬件的尺寸、大气条件、化学常量、控制系统设定值(如理想的 SOXE 温度)和安全极限值。然后,Simulink 将仿真输出(即传感器读数)发回 MATLAB 进行分析。MATLAB 还可以获得来自火星的 MOXIE 实物数据。但是,不管是真实的还是虚拟的 MOXIE,都无法提供某些信息,即使这些信息只是产生的氧气量、二氧化碳与一氧化碳之比这样的简单数据。此时,MATLAB 根据温度、压力和电压传感器数据计算这些值。Hecht 说,MATLAB 还能估计一些偏理论性的值,如 MOXIE 极限值和危险点。“需要计算的琐碎数据成百上千。”

应用程序的屏幕截图。左侧面板控制火星、MOXIE 和 SOXE 参数以及仿真时间。右侧面板显示模型输出,绘制细胞温度和氧气产生率。

MOXIE Simulink 模型应用程序,可自动运行模型仿真。

为了帮助 MOXIE 运维人员运行仿真和解释数据,Khopkar 设计了用户界面 (UI)。一个 UI 带有虚拟滑块,用来控制火星参数(如大气条件)和 MOXIE 参数(如电流和温度)。另一个 UI 显示来自仿真或火星上真实试验的数据。Khopkar 使用 MATLAB 中的 App 设计工具构建了这些 UI。作为运维团队的一员,他也可以方便地使用这些 UI。

完美登陆

毅力号登陆火星后不久,MOXIE 就执行了一次运行状况检查。它将至少运行 10 次,每次持续大约一小时,每隔数月运行一次。各次运行将逐渐加大难度,在不同大气条件和季节以及一天中的不同时间进行,然后尝试不同模式和工况。

“(结果)太完美了,我们都很惊讶……这台仪器在地球上制造,其行为能够满足全部各项设计要求,一路来到火星,并成功制造了氧气。”

2021 年 4 月 20 日,MOXIE 首次运行。它成功以每小时 6 克的速率产生氧气,并朝着每小时 10 克的目标前进。“这是一段不同寻常的冒险之旅。我们都欣喜若狂。一般来说,接下来就可以静下心来,回几封邮件,接受媒体采访。不过我还是想看看数据。”Hecht 当时说。MOXIE 使用的技术中,有一些广为人知,但大部分是全新的。“在 MOXIE 的设计上,我们没怎么借鉴过去送往火星的那些设备。”

“但结果太完美了,我们都很惊讶,”Hecht 感叹,“完美得出乎意料。这台仪器在地球上制造,其行为能够满足全部各项设计要求,一路来到火星,并成功制造了氧气。最后这部分实在让人紧张又期待。”

毅力号火星车的插图,上面有指向 MOXIE 位置的标签。

毅力号火星车上的 MOXIE 位置。(图片由 NASA/JPL-Caltech 提供)

他继续回忆:“我还记得那是个周二,我们准备运行 MOXIE,而上次运行和制造氧气已经是两年前了。这么说吧,就算是辆自行车,在壁橱闲置两年后拿出来用,也要给链条上点油,拧一拧轴承,换个轮胎,因为它们可能变旧了、有裂纹。而 MOXIE 呢,装在火星车里,颠来倒去,经历了各种热循环,然后发射出去,在真空中远航了好几个月,砰地被扔到火星上,又经历了剧烈的爆炸,这才落地部署。接下来,我们只能静待结果。尽管环境非常恶劣,但它运行如常,好像没有经历任何危险似的。”

做大做强

这项工作远未完成。“总的来说,最大的挑战是控制系统缺乏智能。”Hecht 说。他想让控制系统更自主,这也许可以从地球上传新软件来实现。当然,这首先需要经过仿真测试。

Hinterman 正在研究下一代 MOXIE,NASA 期待能在人类登陆火星之前率先将其部署。它预计能在 14 个月内产生数以吨计的氧气。下一代设备在某些方面将面临更大的挑战,但在某些方面反而会容易一些。它会需要运行更长时间并产生更多氧气,但借助更智能的计算机、更好的过滤器和传感器以及更强的自净能力,它可以在更低的海拔运行。

“(MATLAB 的)宝贵之处在于它能了解到所有这些变量是如何相互作用的……它可以‘看’到所有这些交互,而人类却很难做到这一点。”

这些都是 Hinterman 需要仿真的新元素。一个很大的区别是:下一代设备能够液化、储存和传输它制造的氧气,而不是将其释放到火星大气中。“我花了两个月的时间专门为液化系统建模。”他说。

Hinterman 正在使用 MATLAB 优化算法来辅助硬件布局设计。他只需命令软件最小化质量,软件就会尝试各种泵、压缩机或各种工况组合。“软件的宝贵之处在于它能了解到所有这些变量是如何相互作用的,”他说,“比方说,如果选择低温泵而不是机械泵,也许温度低一点更好。或者出于某种原因,温度高一些更好,它可以‘看’到所有这些交互,而人类很难做到这一点。”

Hecht 暂时不打算把太多心思花在下一个项目上。“我现在必须全力确保当前项目的运行。”


阅读其他案例

面板导航

绿色技术/控制系统

掌握太阳的力量

通过核聚变迈向无碳能源之路

面板导航

航空航天

首枚学生自主设计火箭飞跃卡门线

磨练职业技能,追逐太空梦想

面板导航

机器人/自主系统

陌生空间,放心导航

新算法提升机器人感知的稳健性