「技術文章」“毅力”號火星探測器上的傳感器MEDLI2

“毅力”號火星車上的MEDLI2傳感器包不僅為未來的任務收集數據；它還展示了如何在太空中使用商用現成部件。

上周，美國宇航局成功地將“堅持”號火星車降落在火星的杰澤羅隕石坑。

關于進入、下降和著陸（EDL）系統如何在火星表面安全著陸的高級描述。圖片由NASA/JPL加州理工學院提供

因為美國宇航局這次任務的主要目標是獲取有關火星大氣條件、地貌和微生物生命的未知數據，例如，美國宇航局為火星車配備了一系列傳感器，其中許多是現成的商業部件。

“毅力”號防熱罩上的一套傳感器被稱為MEDLI2設計用于測量月球車的進入、下降和著陸（EDL），以更好地協助未來的任務 .

我們最近討論了從遠處為“毅力”號火星車提供動力的設計挑戰. 但是，飛行傳感器在太空旅行和著陸過程中也遇到了自己的挑戰。

在太空中，傳感器需要在極端溫度波動、隨機振動、沖擊、真空和電離輻射中生存。由于這些原因，專門為航天器制造的部件必須通過執行適用的環境試驗進行測試和鑒定。

慣性測量裝置（IMU）、陀螺儀、磁強計、熱電偶和壓力傳感器是深空探測器中常用的傳感器。美國航天局的工程師必須進行廣泛的環境和生命周期測試，以驗證其在空間環境中的可靠性和耐用性。通常，系統的設計也是保守的，有安全裕度和備用/冗余單元，以提高可靠性并將風險降至最低。

設計和制造太空級航空電子設備與商業產品有著顯著的不同。例如，印刷電路板不能在真空中使用純錫基焊料，這可能會導致災難性的機械應力。此外，錫基焊料可能會產生“錫須”，這是導電的，并可能導致電弧。一旦有效載荷****后，如果沒有能力更換多氯聯苯，錫須在航天器中尤其危險。

金屬或錫須的不同形狀和特征的圖像。圖片使用由美國宇航局

不過，美國航天局仍然能夠在MEDLI2中使用一些商業部件，而不會產生任何后果。

MEDLI2是美國宇航局的第二個版本的進入、下降和著陸儀器。該儀器包包括三種類型的傳感器，位于后殼體和恒力隔熱板上，包括17個壓力傳感器、17個熱塞和3個熱流傳感器。其目的是獲得EDL期間關鍵空氣動力學、氣動熱力學和熱防護系統（TPS）性能參數的數據。

之前在MSL任務期間，最初的梅德利沒有測量后殼的熱通量，所以這個階段的飛行數據是這個新任務的許多第一。新MEDLI可收集以下方面的數據：

• 重建氣動阻力

• 車輛姿態

• 現場大氣密度

• 氣熱加熱

• 湍流過渡

• 深度TPS性能/TPS燒蝕

MEDLI2包括安裝在火星2020隔熱罩上的傳感器、電子設備和線束。圖片使用由NASA/JPL加州理工學院提供

這些數據將允許研究人員將飛行數據與預測數據進行比較，并更新分析模型。

熱流傳感器易受高機械應力和熱應力的影響，嚴重影響其功能。MEDLI2測試了商用熱通量計精確性和生存能力。傳感器套件的候選產品包括Gardon gauges、thermopile和Schmidt-Boelter儀表。

MEDLI2隔熱罩和后殼體上各種傳感器的位置。圖片使用由美國宇航局

美國航天局對每個儀表的功能和生態影響進行了臺架試驗（氣動熱負荷環境試驗）。工程師們最終選擇施密特-波爾特壓力計是因為它們在測試中的性能。

高超音速滯止壓力是使用壓力傳感器測量的，范圍為0-35000 Pa，跨越整個試驗周期，包括峰值動態壓力環境。

MEDLI的一個關鍵發現是，在超音速飛行期間，高超音速壓力傳感器在較低壓力下無法提供足夠的精度。因此，在MEDLI2中，有必要包括一套單獨的超聲波傳感器，其精度在0–7000 Pa范圍內。另一個700帕的壓力傳感器位于另一個低氣壓傳感器上。

上周“毅力”號登場時，MEDLI2號的表現如何？美國航天局報告說，探測器成功地顯示了進入火星大氣層時的加熱和壓力動態。MEDLI2在航天器達到峰值加熱（高達1300°C）和峰值壓力后繼續收集數據。在進入的最后100秒，飛行器仍處于超音速飛行階段。

MEDLI和MEDLI2所用儀器傳感器的比較。圖片使用由美國宇航局

然后，根據風速，MEDLI2壓力傳感器收集有關方向和車輛性能的數據。MEDLI2還使用了許多其他傳感器，根據過去任務中丟失的細節獲取更多相關數據。美國航天局希望從這次任務中獲得的見解將最終推動載人火星飛行任務的設計。

JPL（噴氣推進實驗室）最近表示，一些高清攝像機在這次任務中使用的是商用現貨（COTS）零件這為商業傳感器在未來任務中的應用開辟了可能性。在未來的其他項目中，NASA也有可能平衡抗輻射和COTS組件。