NASA'nın yeni Venus gezgini: herhangi bir geleneksel güç kaynağı sistemi olmadan çalışabilir
Aşırı sıcaklık, yüksek basınç ve sülfürik asit bulutu ... Burası Venüs'ün yüzey ortamı. Bu ortamda, sıradan insan sondalarının çalışması zordur, taşınması gereken ilk şey, sondanın hassas elektronikleridir.
Ancak NASA bilim adamları iyi bir fikir buldular: Elektronik ekipman çalışmıyorsa, neden fikrinizi değiştirip Venus gezgini yapmak için saf makine kullanmıyorsunuz?
Şu ana kadar, uzay aracının Venüs yüzeyinde çalıştığı en uzun süre 127 dakika oldu: 1 Mart 1982'de, eski Sovyetler Birliği'nin Venüs 13 sondası bir paraşütle ve bilgisayarı önceden soğutulmuş ve mühürlenmiş bir şekilde saklayarak yavaşça indi. Titanyum basınçlı kap, iki saate kadar çalışma ömrüne ulaştı. Venüs'ün ortalama yüzey sıcaklığı 464 santigrat dereceye kadar çıkmaktadır, bu da güneşe en yakın gezegen olan Merkür gezegeninden bile daha yüksektir. Sıradan elektronik ekipman bu ortamda çalışamaz.
Elektronik cihaz kabusu bununla da sınırlı değil.Aşırı yüksek sıcaklığa ek olarak Venüs'ün yüzeyindeki atmosferik basınç, deniz altındaki 914.4 metre (3000 fit) su basıncına eşdeğer olan 90 atmosfer basıncı kadar yüksek. . Aynı zamanda, Venüs'ün üst atmosferindeki sülfürik asit yağmurunun ekipmanı aşındırmak için yüzeye düşeceğinden endişelenmenize gerek olmasa da, yüzey ışığı çok karanlık olduğu için (yeryüzündeki şiddetli bulutlu bir güne eşdeğer) güneş enerjisi imkansızdır.
Şekil Yalnızca iki saat çalışmasına rağmen eski Sovyetler Birliği'nin Venüs 13 sondası tarafından çekilen Venüs yüzeyinin bir fotoğrafı
Bizim için dostça olmayan Venüs atmosferi yüzeyi kapatarak yörüngedeki uyduların daha fazla yüzey bilgisi elde etmesini engelliyor. Dolayısıyla sadece yere düşen robot bizim için gizemini ortaya çıkarabilir. Bununla birlikte, mevcut ana akım dedektör tasarım fikri, eski Sovyetler Birliği'nin Venüs dedektörüyle aynıdır: tüm elektronik devreler, kapalı ve yalıtılmış bir kap içine alınır ve sıcaklık, radyoaktif plütonyum Stirling motoruyla çalıştırılması muhtemel bir soğutma sistemi tarafından korunur. Böyle bir Venüs araba sistemini geliştirmek milyarlarca dolar alır.
Venüs arabası için yukarıda bahsedilen geleneksel üretim fikirleri zor, pahalı ve potansiyel olarak tehlikelidir. NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) projesinin finansmanı ile Pasadena, California'daki NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), geleneksel sensörler, bilgisayarlar ve güç kaynağı içermeyen bir sistem geliştirmeye çalıştı. Venüs Keşif Aracı. Ekstrem Ortamlar için bu Automaton Rover, Saat mekanizması dişlileri ve yaylar Ve Venüs arabasının ana işlevlerini gerçekleştirecek diğer kurumlar Enerji üretimi, enerji depolama, algılama, mobilite ve hatta iletişim dahil Bunların elektrikli sürücüye ihtiyacı yoktur.
Şekil 500 santigrat derecede, eski saat teknolojisi Venüs otomobilini yıl boyunca sürmek için kullanılacak
Elektronik cihazların hakim olduğu bu dünyada, çoğumuz mekanik bilgisayarların neler yapabileceğini bilmiyoruz. Bununla birlikte, yaklaşık iki bin yıl önce (1 yüzyıl farkla), eski Yunanlılar "Antikythera" Cihaz. Güneş ve ayın konumlarını hesaplamak, ayın evrelerini görüntülemek, güneş tutulmalarını tahmin etmek, takvimleri hesaplamak ve hatta beş gezegenin konumlarını, bir krankla hareket ettirilen en az 30 tane birbirine geçen bronz dişli ile göstermek için kullanılabilir.
17. ve 19. yüzyıllar arasında Blaise Pascal, Gottfried Leibniz ve Charles Babbage kendi icatlarını yaptı. Çok işlevli aritmetik mekanik bilgisayar . Daha yakın zamanlarda, 1840'larda, mekanik bilgisayarlar, topçu hedefleme sistemleri ve hava bombası hedefleme dahil olmak üzere askeri teçhizatta büyük ölçekte kullanıldı.
2002 yılına kadar Ruslar, uzay aracının konumunu hesaplamak için hala Globus adlı mekanik bir bilgisayar kullanıyorlardı. Ancak artık her şey elektronik. Venüs haricinde bu gerçekten harika çünkü devre çalışmıyor.
JPL laboratuvarının bu Venüs arabasını geliştirme amacı, en az sayıda devre kullanan bir robot yapmaktır. Olabildiğince çok işlev elde etmek için saf makine kullanarak, aşırı çevre Venüs arabası yüksek sıcaklıklı ortamlarda haftalar, aylar ve hatta yıllarca arızasız çalışabilir.
Jonathan Sauder, JPL Technology Input Group'ta teknik uzman Aihe Makine ve Elektrik Mühendisidir ve aynı zamanda bu AREE projesinin lideridir. Aşağıda, projenin nasıl başladığına ve sistemin nasıl çalıştığına ilişkin ayrıntılar üzerine onunla bir röportaj yer almaktadır.
Şekil Yükselen uzay aracının içindeki navigasyon cihazı
S: Zorlu ortamlarda keşif arabası yapmayı nasıl düşündünüz?
O zamanlar paralel tasarım üzerinde çalışan büyük bir mühendis grubuyla oturuyordum. Kahve molası sırasında, soğutma cihazını ve bileşenlerini tartışıyorduk ve tamamen mekanik bir uzay aracı inşa edilebilseydi ne kadar havalı olurdu, böyle bir uzay aracı neye benzeyebilirdi ve hangi durumlarda kullanılabilirdi. konu. Elektronik devre çalışamadığı için ihtiyaç duyulabilecek iki yer olduğunu fark ettik - biri Venüs, çünkü Venüs arabasının en uzun hayatta kalma kaydı, devrenin aşırı ısınması nedeniyle sadece iki saat. Başka bir ortam Jüpiter civarındadır, çünkü yüksek radyoaktivite devre işlevini etkileyecektir.
S: Tamamen mekanik bir robot keşif aracı yapmak gerçekten mümkün mü?
NIAC projesinin ilk aşamasında, herhangi bir devre alt sistemi olmadan tamamen mekanik bir keşif aracı inşa etmek istiyoruz. Tüm standart devre alt sistemlerini mekanik hesaplamalarla değiştirin. Daha fazlasını öğrendikten sonra, merkezi bir işlem birimi kullanan Curiosity gezgini gibi geleneksel bir keşif aracı yapmanın işe yaramayacağını fark ettik. Bu nedenle, dağıtılmış bir yapı kullanmalı ve ona nereye gideceğini söylemek, yönlendirmek ve sinyal vermek için cihazın çevresine birçok basit mekanizma eklemeliyiz.
Başlangıçta ölçüm elde etmek için mekanik araçlar da kullanmayı planladık. Daha derine gittiğimizde, sıcaklık, basınç ve diğer verileri görüntülemek veya çıktı almak için yeterince doğru veri alamadığımızı gördük. Şu anda, yüksek sıcaklıklarda çalışabilen silisyum karbür galyum sistemleri gibi bazı yüksek sıcaklık devreleri geliştirilmiştir. Ancak sorun, entegrasyonlarının çok düşük olmasıdır, bu nedenle onları çalıştırmak için geleneksel devreleri kullanamazsınız ve kaşifin işlevini anlayamazsınız. Yani fikrimiz, uzun süre çalışabilen ve mevcut yüksek sıcaklık devre sistemini taşıyabilen bir mobil platform yapmaktır.
AREE ayak tasarımının erken konsept çizimi
S: AREE'nin tasarımına nereden başladınız?
Öncelikli hedefimiz, bu mobil platformu olabildiğince güvenilir ve dayanıklı tasarlamaktır. İkinci amaç, keşif aracının Venüs yüzeyinde çalışmasına rehberlik etmek için olabildiğince çok sayıda basit, dağıtılmış ve reaktif kurum kullanmaktır. Yayınladığımız ilk resimlerde, Venüs arabasının tasarımının Hollandalı sanatçı Theo Jansen'in rüzgarla çalışan biyonik canavarına çok benzediğini fark etmiş olabilirsiniz (Strandbeests, Theo Jansen, plastik, ahşap vb., Rüzgârla sürülen biyonik). Biyonik canavar, Hollanda sahillerinde rüzgarla yürüyebilen yarı otomatik bir "yaratık" tır. Böylesi bir "biyonik canavar" ın farkına varmak, bacakların ileri geri hareketini kontrol etmeye yardımcı olmak için yalnızca birkaç basit sensör gerektirir ve kum ve suyu önlemek için bir iç yapıya sahiptir.
İlk konsept geliştirme aşamamızda, aslında, onu Jansen ile tasarladık: iki günlük bir mühendislik işbirliği toplantısı için JPL laboratuvarına gitti ve ayrıca biyonik canavarlar yaratmadaki 30 yıllık deneyimini öğrendik. . Bahsettiği ilk şey, bacakların yürüyebilmesi gerektiğidir. Biyonik canavarın mucidi bize Venüs'te keşif aracının bacaklarının yürüyebilmesi gerektiğini söylediğinde, bu da başka bir yapı bulmamız gerektiği anlamına gelir. Mesele şu ki, robotun bacakları düz yumuşak kum üzerinde iyi performans gösterse de, değişken araziye (bilinmeyen Venüs ortamı gibi) girdiğinde, bacakları dengesiz hale geliyor. Şu anda, keşif aracının düşmesi ve hatta hasar görmesi muhtemeldir.
Bu, yakışıklı ayaklı robotu, Birinci Dünya Savaşı'nda bir İngiliz tankına benzeyen çirkin ama güvenilir bir robotla değiştirerek ikinci aşamaya geçmemiz için bize ilham verdi.
AREE'nin hareket ettirilebilen ve yerleşik bir rüzgar türbini ile donatılmış ikinci aşamasının kavramsal çizimi. Bu tank tasarımının birçok avantajı vardır ve sık sık düşmez. Dikey simetrik tasarımı sayesinde ters çevrilse bile hareket etmeye devam edebilir. Bu nihai tasarım olduğu anlamına gelmez JPL ekibi de tekerlek tasarımını incelemeye başladı çünkü artık hareketli parça olmadığı için tekerlek tasarımı daha güvenilir olacak.
Soru: AREE'nin Venüs'ün yüzeyinde nasıl gezinebileceğini anlatabilir misiniz?
Basitçe söylemek gerekirse, engellerden kaçınma için bazı özel sistemler geliştiriyoruz ve hareket etmek için yeterli enerji olup olmadığını belirliyoruz Standart bir merkezi sistem yerine, birden fazla işlemde çalıştırabilir ve yazılım aracılığıyla değişiklik yapabilir veya sıfırlayabilirsiniz.
Belirli bir görevin görevi daha iyi tamamlaması için çalışma prensibini olabildiğince basitleştirmeye çalışıyoruz. Belki robot bir nesneye çarptığında, bir kolu kaldırır, kendini geri iter, 90 ° döndürür ve ardından engellerden kaçınmak için ileri doğru hareket eder. Robotumuz yalnızca böyle bir engelden kaçınma eylemini gerçekleştirebilir, ancak sonunda engeli defalarca tekrarlayarak başarılı bir şekilde atlayabilir.
Engelden kaçınma modülü, robotu biraz geri hareket ettirmek için tamponlar, geri vitesler ve kamlar kullanan başka bir basit mekanik sistemden oluşur, ardından tamponlar ve dişliler sıfırlanır ve çalışmaya devam eder. Normal ileri harekette güç, giriş milinden çıkış miline soldaki dişli vasıtasıyla iletilir ve diğer dişli bununla birlikte döner, ancak çalışmaz. Robot bir engelle karşılaştığında, geri vitese senkronizör tarafından takılır ve ardından ters dönüşe sahiptir. Kam tam bir devri tamamladığında, tamponu sıfırlar ve onu orijinal konumuna geri iter. Geri sürüş tamamlandıktan sonra tekerleğin işlevsel kısmında kullanılan benzer bir kam da vardır.
S: AREE'nin işlevi diğer Venüs uzay araçlarından nasıl farklıdır?
Şimdi, her biri Curiosity gezicisinden daha az olmayan, tek bir yere iniş veya iki yerde veri toplama gibi birkaç Venüs konsept görevi var. Planların çoğu çok karmaşıktır ve Venüs'ün yüzeyinde 2 ila 24 saat kalabilir. Bu Venüs otomobil tasarımıyla çalışma süresini bir aya çıkarmak için çalışıyoruz. Bu bizim temel yeniliğimiz olacak: verileri birden çok konumda örnekleyebilmek ve çevredeki değişiklikleri gözlemlemek ve anlamak için yeterli zamana sahip olmak.
AREE ve diğer Venus Discovery Araç Projeleri arasında karşılaştırma
S: AREE hakkında ne düşünüyorsunuz, olmasını istediğiniz şey bu mu?
İdeal robot, Venüs'ün en zorlu noktalarından biri olan tessera üzerinde yürüyebilmelidir. tessera çok pürüzlüdür ve lav içerir. Amacımız, görev sırasında bu keşif aracını takip etmek ve Venüs'ün evrimini anlamamıza yardımcı olacak yol boyunca coğrafi veriler toplamak. İdeal Venüs keşif aracım, mevcut 1,5 metreden daha büyük olacaktır. Şimdi, ısı kalkanının sınırlandırılması nedeniyle, bu yalnızca yapılabilir. Mümkünse, daha büyük engellerin üstesinden gelmek ve daha fazla rüzgar enerjisi toplamak için keşif aracını 2,5 metre boyutuna çıkarmak istiyoruz.
Nihai hedefimiz, çoğu engeli aşmak, uzun mesafeler kat etmek, yavaş ve istikrarlı otonom sürüş gerçekleştirmek ve yol boyunca numuneler ve hava durumu verilerini toplamak için ağır bir kamyon gibi bir Venüs keşif aracını serbest bırakmaktır.
Tessera alanı konseptinde seyahat edin. 116 Dünya günlük ilk görev döngüsü sırasında (bir Venüs gündüz-gece döngüsü), keşif aracı 35 kilometre yol kat edecek. Başka bir genişletilmiş görevde, keşif aracı 3 yıl içinde 100 kilometre gidecek.
Bu noktada merak ediyor olabilirsiniz, eğer verilerini alamazsak Venüs'ün yüzeyine saat gibi bir keşif aracı göndermenin ne anlamı var? Devre olmadığı için keşif aracı bize nasıl veri gönderebilir? Elbette verileri mekanik olarak saklamanın yolları vardır: sayıları geçici olarak saklamak kolaydır. 1 MB veriyi metal fonograf kaydında saklayabilirsiniz, ancak daha sonra nasıl aktarırsınız?
Kulağa çılgınca gelse de, bir yol uygulanabilir: Bu metal kayıtları Venüs'ün üst atmosferine kaldırmak için hidrojen balonları kullanın ve ardından onları yakalamak için yüksek irtifada güneş enerjili dronları kullanın. Drone daha sonra verileri okuyacak ve uyduya iletecektir. Araştırmacılar ayrıca vakum tüplü telsizlerin kullanımını da düşünüyorlar .. Vakum tüplü telsizler yüksek sıcaklık ortamlarını dışlamasa da, Venüs atmosferinde vakum tüplerinin sızması ve arızalanması muhtemeldir.
AREE geliştiricilerinin çözümü şudur: radar reflektörü. Keşif aracının çatısına yerleştirilen radar reflektörü yörüngedeki uydu tarafından bulunabilir.Reflektör üzerine "panjur" konularak 1000 baytlık veri gözlemlenebilir ve uydu her geçişte iletilebilir. Farklı yansıtıcılığa sahip birden fazla reflektör eklerseniz ve jaluzilerin farklı frekanslarda çalışmasına izin verirseniz, reflektör günde 32 adede kadar bağımsız değişken iletebilir. Sauder, bazı veriler için belirli bir sayı aktarmanıza bile gerek olmadığını, çünkü reflektör bir fan kanadının altına yerleştirildiği sürece, gözlemler yoluyla farklı konumlarda göreceli rüzgar hızını elde edebileceğinizi söyledi.
Şimdi, bu büyülü ve güvenilir robot Venus Explorer hakkında temel bir anlayışa sahipsiniz. Son soru, ne tür bilimsel keşifler yapabilir? Bu, AREE için çok zor bir sorudur çünkü NIAC Aşama 1 planında açıklanmıştır:
Tamamen mekanik bir sistemin en büyük dezavantajı, bilimsel araştırmaları ölçme yeteneğidir. Haberleşme modülüne ek olarak, yüksek sıcaklık devresi kullanması gereken anahtar modüllerden biri de ölçüm kısmıdır. Daha karmaşık ölçümler, özellikle jeolojik ölçümler için, tamamlanması için elektronik devrelere ihtiyaç vardır.
Geçen yılın sonlarında NASA, HOTTech (Sıcak Çalışma Sıcaklığı Teknolojisi Programı) projesini duyurdu. Proje, "500 santigrat derece veya üzerindeki yüksek sıcaklık ortamlarında robot keşfi için ileri teknolojilerin araştırma ve geliştirmesini" finanse etti. AREE ekibi, bu projede bazı kullanılabilir bilimsel ölçüm ekipmanı üretmeyi umuyor. Ekipman mevcut olmasa da, rüzgar hızını ölçmek için fan kanatları kullanmak, sıcaklık ve basıncı ölçmek için termal olarak genleşebilir malzemeler kullanmak ve bileşenleri kimyasal reaksiyonlarla tespit etmek için bazı malzeme çubuklarını kullanmak gibi devreleri olmayan bazı ilginç bilimsel ölçüm yöntemlerine de sahipler.
AREE, rüzgar enerjisini cep saati gibi kompozit bir yayda depolar. Yukarıda gösterilen mekanik sistem yaydaki enerjiyi ölçebilmektedir.Enerji yeterli olduğunda, enerji debriyaj vasıtasıyla hareket modülüne iletilecektir. Explorer arabasını yalnızca belirli bir süre sonra veya diğer koşullar karşılandıktan sonra çalıştırmak istiyorsanız, bir saat veya diğer sensörlerle çalışmak için mekanik bir mantık kapısı ekleyebilirsiniz.
Sauder ve ekibinin tüm bu mekanik yapıları eğlence için yapmadığı açıklığa kavuşturulmalıdır: Venüs'ü ekonomik bir şekilde keşfetmek ve keşif aracının iki günden fazla çalışmasına izin vermek gerekiyor. . "Bu projedeki konumumuz, var olan şeyleri veya yüksek sıcaklık elektroniği alanında doğacak şeyleri kopyalamak değil. Araştırma ve geliştirmede daha fazla zaman alsa da, şu anda çözülemeyen sorunlar için bir dizi mekanik çözüm sunmaktır." Sauder dedi.
AREE'nin teknolojisi, sadece Europa'nın oldukça radyoaktif ortamında çalışmakla kalmayıp, güneş sisteminin diğer köşelerinde de kullanılabilir. Sadece yeryüzünde, AREE yakın mesafeden aktif volkan örneklerini toplarken veya yüksek radyoaktif ortamlarda çalışırken avantajlara sahiptir. AREE'nin diğer bir avantajı, işlevini etkilemeden ultra yüksek sıcaklıkla tamamen dezenfekte edilebilmesidir. Mars'ın buz örtüsünün altında bir göl bulursanız ve dokunaçları yüzen Y şeklinde yaratıklar varsa, sterilize edilmiş robotu biyolojik kontaminasyon konusunda endişelenmeden numune toplamak için serbest bırakabilirsiniz.
Şimdiye kadar, AREE projesi ikinci aşama için NIAC finansmanı aldı. Ekip, hareket sistemi üzerinde daha fazla araştırma yapıyor ve tank tasarımının yerini daha güvenilir bir tekerlek tasarımına bırakması muhtemel. Ayrıca, herhangi bir otomatik mekanik bilgisayarın çekirdeği olan yüksek sıcaklıkta mekanik saatler geliştiriyorlar. Sauder, gelecek yıl radar hedef sinyal sistemlerinin oluşturulması ve test edilmesinde daha heyecan verici sonuçlar üretebileceklerini umduğunu söyledi. Aslında şimdiden etkilendik: Bu şimdiye kadar gördüğümüz en yenilikçi robot ve Venüs'e ineceği günü sabırsızlıkla bekliyoruz.
