JPL的发条路灯探索金星的设计

JPL的发条路灯探索金星的设计

航天器在维纳斯表面生存的最长时间是127分钟。1982年3月1日,  苏联的Venera 13探测器降落到一个平缓的落地点,并通过将其所有的计算机都藏在一个预先在轨道上冷却的密封的钛压力容器内,并保持运行两个多小时。金星的表面温度平均为464°C(867°F),比水银(离太阳最近的星球)表面更热,而且传统电子设备也不会奏效。

使金星成为电脑特别令人讨厌的地方不仅仅是温度,而且表面压力大约在90个大气压,相当于地球海洋3000英尺的压力。虽然你可以放心,在维纳斯上层气氛中你会发现的硫酸雨没有到达地面,那里也是如此黑暗(相当于地球上阴沉的一天),太阳能发电是可怕的效率低下。

像这样的维纳斯流浪客的常规方法是困难,昂贵和潜在的危险的,但是美国航空航天局喷气推进实验室(JPL)的工程师团队在加利福尼亚州帕萨迪纳市提出了一个创新的新思路来探索表面的金星。如果问题是电子产品,那为什么不把它们摆脱掉呢,建立一个机械流动站呢?

凭借NASA创新高级概念(NIAC)计划的资助,JPL团队希望了解是否可能在没有常规传感器,计算机或电力系统的情况下构建金星探测漫游器。极限环境自动机(AREE)将使用发条齿轮和弹簧等机制来提供大部分流动站的功能,包括发电,储能,感应,运动甚至通讯:无需电子设备。带来热量

在这个绝大多数的电子世界中,我们大多数人对机械电脑可以做的各种事情没有适当的感谢。两千年前(给或一个世纪或两个),古希腊人构建了Antikythera机制,可以计算出太阳和月亮的位置,显示月球的相位,预测日食,轨道日历周期,甚至可能使用由曲柄驱动的至少30个青铜相互啮合的齿轮精心设计的一组显示五个行星的位置。

在17世纪和19世纪之间,Blaise Pascal,Gottfried Leibniz和Charles Babbage都开发出可以执行各种算术功能的机械计算机。而近一段时间,在20世纪40年代,机械电脑被广泛应用于诸如炮火消防系统和空中炸弹瞄准器等猛烈实际应用中。

俄罗斯人使用一台称为Globus的机械计算机在2002年之前对其航天器进行位置计算,但总的来说,一切都正在进行电子化。这是很好的,除了在金星,大多数电子产品是不切实际的。

JPL的AREE概念 是创造一个极少数量的电子产品的机器人,而不是依靠尽可能多的纯机械系统,可以处理高温数周,数月甚至数年而没有任何问题。Jonathan Sauder是JPL技术输液集团的技术专家和机电工程师,也是AREE项目的领导者。我们和他谈了更多关于项目开始的细节,以及一切如何运作。

IEEE Spectrum:你如何想出AREE的想法?

Jonathan Sauder: 我正坐在一堆工程师身边,我们正在进行一个并行设计的工作。在咖啡休息期间,我们正在谈论冷静的机制和组件,以及做一个纯机械的航天器,这将是什么样子,以及您将在哪里使用它是多么的酷。我们意识到,有两个地方对于这样的事情来说是非常有意义的,电子产品不能生存:一个是金星,因为我们能够在金星表面生存的最长时间是两个小时,因为电气系统过高的开销,一个是木星周围,因为高辐射环境破坏了电子产品。

真的有可能建立一个没有电子的机器人探测漫游器?

我们从NIAC第一阶段提议开始,认为我们将要建立一个完全不需要使用任何电气子系统或电子设备的全机械流动站架构,用机械计算替代所有标准的电气子系统。当我们开始深入挖掘它时,我们意识到你不能用一个集中式的核心处理器来构建一个传统的火星好奇流浪者...而是我们必须做的是把重点放在更多的分布式架构,我们在设备周围有许多简单的机制,指导它,发信号,告诉它去哪里。

本来我们也试图用机械的方式做一些我们的科学测量。当我们开始研究这一点时,我们根本无法得到您需要的数据的分辨率来形象化或测量温度和压力。有一些开发的各种高温电子 - 碳化硅和镓系统 - 在高温下运行。问题在于他们处于非常低的整合水平。那么这意味着你不能和他们一起做传统的电气系统,你不能做任何接近流动站需要的电气系统。所以我们的想法是建立一个移动平台,能够放松,看到新的地方,并且运行时间远远超过目前存在的系统。

您从哪里开始设计AREE?

首要目标是首先将我们的运动架构设计得尽可能健壮。然后,第二个目标是使用尽可能多的简单,分布式,反应性机制,我们可以通过在金星表面工作的方式来指导流动站。你会注意到,在我们早期的一些图像中,流浪者看起来很像是Theo Jansen的Strandbeests,这些半自主的生物漫游在荷兰的海滩。Strandbeest操作只需几个简单的传感器,可以控制腿部向后或向后移动,并具有内置的逻辑,以避免软沙和水。

在我们的概念发展的早期,我们实际上与Jansen合作:他来到JPL进行为期两天的合作工程会议,并且在Strandbeests工作30年的时间内,我们获得了所有专业知识。他提到的第一件事之一是腿必须走。而且你知道,当创建Strandbeest的人告诉你腿必须去你的维纳斯流浪汉,这意味着你可能需要找到一个不同的架构。关键问题是,当双腿在平坦的柔和海滩上工作得很好时,一旦开始变得越来越多的变形地形(如未知的维纳斯环境),腿部的稳定性将不够稳定,流动站的倾倒概率很高结束并损坏。

这就是我们从第一阶段到第二阶段的架构变化的灵感,我们从这个非常酷帅的流浪汉走向可能稍微不那么酷,但更强大,可能更可实施的流浪汉,看起来像是一场第一次世界大战坦克。

你可以描述AREE如何能够穿过金星的表面?

基本上我们正在做的是在障碍物避免方面开发一些非常专业的系统,并确定是否有足够的动力来移动,而不是标准的集中式系统,您可以在流动站上进行多个进程或重新配置或更改随时通过软件。

我们正在努力使机制尽可能简单,做一个专门的任务,但是要做好这个专门的任务。也许是当机器人碰到一个物体时,它会翻转一个杠杆,这使得流动站向后推动一点,旋转90度,向前推。我们只能做一个避障模式,但你可以多次重复,最终能够绕过障碍。

AREE的其他功能与其他维纳斯着陆器提案有着根本的独特之处?

现在有几个维纳斯任务概念,每个概念的成本都要高于一个火星好奇流浪者所要求的或者更多,即一个地方,或者它们获得两个数据位置。大多数建议是非常复杂的,从表面上看2到24小时。我们正在考虑将这个时间延长到一个月,基本上是使用这个流动站的概念,这就是真正的关键创新之处:能够对维纳斯的多个位置进行采样,并了解事件随时间的变化。

你能描述你对AREE的愿景,如果一切顺利,你希望吗?

理想的机器人将是可以进入金星最恶劣的地形的一些称为tessera,这是一个非常粗糙和岩石的熔岩。我们的目标是在该地形的任务期间跟踪这只流浪者,随着旅行中的地质样本,我们了解金星的演变过程。对于理想的流动站来说,要比1.5米大一点,这是很高兴的:现在它受到了隔热罩尺寸的限制。如果可以的话,我们可以将流动站扩大到2.5米,以克服更大的障碍并获得更多的风能。

最终,目标是放置一个基本上是能够克服大多数障碍并保持徒步旅行的维纳斯巨人的流浪者,慢慢而稳定地收集样本和天气数据。

在这一点上,您可能会想知道为什么如果我们再也不会再听到它,那么为什么要发送一个发条漫游器来探索维纳斯的表面,因为没有电子产品,怎么能把任何数据发回我们呢?有机会存储数据的方法:暂时存储数字很容易,您可以在金属唱机上记录1兆字节的数据。但那又是什么?

一个想法,不知何故不像听起来那么疯狂,就是使用氢气气球将这些金属记录提升到金星的上层大气层,在那里他们将被高空太阳能驱动的无人机(!)拦截,在那里,读取记录并将其内容传送到轨道上的卫星。研究人员还考虑过一台真空管式收音机,但是当真空管在高温下操作非常乐意的时候,在金星的气氛中很容易被去除真空。

AREE研究人员提出的解决方案是:雷达反射器。可以从轨道上看到安装在流动站上的雷达反射器,并且通过在反射器前面放置快门,漫游者可以在每次卫星通过它时传输像1000位的东西。添加具有不同反射率的多个反射器以及以不同频率工作的快门可以允许每天最多传输32个独特变量。Sauder说,您甚至不需要发送特定的号码来发送有价值的数据,因为只要将反射器放置在风扇下面,就可以用来测量不同位置的相对风速。 

所以现在,你有这个巧妙的能力和强大的机器人漫游器,可以在金星上生存,最后要弄清楚是什么样的科学探索,它将能够做,这是一个特别难的问题,AREE, NIAC第一阶段提案解释:

纯机械系统的最大弱点之一就是能够进行科学测量。超越通信,可以有效利用高温电子的关键领域之一就是仪器。更复杂的测量,特别是与地质测量相关的测量,需要电子解决方案。 

去年年底,NASA宣布推出HOTTech,即热作业温度技术计划,该计划正在提供资金,以支持“高温环境的机器人探索技术的先进发展”,温度接近500摄氏度或更高。“AREE团队希望HOTTech能够产生一些能够在流动站上生存的科学仪器,尽管如此,如果没有任何电子技术,他们也会有一些有趣的科学方法。这些措施包括测量来自风力涡轮机的风速,来自热膨胀材料的温度和压力以及与某些所需化学品反应的棒的化学性质。

要清楚的是,这不是像Sauder和他的团队正在努力使所有这些机械的东西很有趣:真正有必要探索维纳斯经济上可持续的时间超过一两天。Sauder表示:“我们与这个项目的目标并不是复制已经完成或即将在高温电子领域完成的事情,而是为那些可能需要更长时间才能开发的机械解决方案目前没有明确的解决方案。“

正在为AREE开发的技术在太阳能系统的其他地方具有应用,而不仅仅是像木星的月亮欧罗巴这样的高辐射环境。在这个地球上,AREE可以用于从非常接近的活火山或从高度放射性环境中取样。AREE的另一个优点是可以在非常高的温度下完全灭菌,而不会影响其功能。如果说,在火星上的冰盖下找到一个湖泊,那里有一些奇怪的触手可及的东西在游泳,你可以发送一个灭菌的AREE收集样品,而不用担心污染。

此时,AREE已经获得了第二阶段NIAC资金,用于持续开发。该团队正在对运动系统进行更详细的研究,这可能涉及将油罐踏板转换为轮式和更强劲的轮胎。他们还在研发高温机械时钟,这是任何自主机械计算机的基础部分之一,而Sauder则表示,他希望在未来一年内建立和测试雷达目标信号系统会产生令人振奋的成果。我们当然很兴奋:这是我们见过的最具创新力的机器人之一,我们迫不及待地想去金星。

由Sauder领导的极限环境自动化流程团队还包括Evan Hilgemann,Michael Johnson,Aaron Parness(我们之前撰写的研究),Bernie Bienstock和Jeffery Hall,Jessie Kawata和Kathryn Stack作为附加作者NIAC第一阶段最终报告,您可以在这里阅读


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