嵌入式电子技术在深空探测中的应用

嵌入式电子技术在深空探测中的应用

(八)嵌入式系统技术该综合网络系统集成了深空气显微器的测量、可控、独立控制和管理功能，并将信息共享到以微处理机为主的系统中。关键技术包括嵌入式计算机系统技术、数据总线技术、大容量存储技术和微型元器件技术。发展方向是小型化和集成化。1.高性能、小型化嵌入式电子系统技术深空探测综合电子系统多为嵌入式计算机系统,关键部件包括嵌入式微处理器(MCPU)和嵌入式系统软件。它要集成高速处理器、高速数字信号处理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(FPGA/CPLD)、专用集成电路(ASIC)、芯片基系统(SOC)等新型器件以及高效、高可靠系统软件,如实时多任务操作系统(RTOS)。嵌入式电子系统的发展方向是高性能和小型化。2.大容量存储技术大容量存储器技术主要包括磁带存储技术、磁光存储技术和固态存储技术。其中固态存储技术芯片容量越来越大,使存储器容量增大,设备功耗与体积减小,工作速度提高,并可随机存储,远优于磁带存储。以计算机为基础的存储器,其数据存储能力大于150GB,特别适合于长寿命、高可靠的深空探测器应用,将取代磁带存储器。(九)深空探测仪器深空探测器的有效载荷主要是各种探测仪器设备,根据探测目标(星)、科学任务、探测方式、探测飞行方式而各不相同。1.探测仪器的类型和发展趋势深空探测仪器基本上包括:(1)成像探测仪器:主要分为光学成像仪器(包括CCD立体相机、高分辨率电视摄像机、成像光谱仪等)、表面地形测绘和结构分析仪器(包括激光高度计等)。(2)土壤与矿物分析仪器:主要分为化学元素分析仪(包括X射线和γ射线光谱仪、中子谱仪等)、矿物分布分析仪(包括紫外-可见光-红外成像光谱仪(VIRTIS)等)。(3)环境探测仪器:分为表面(与空间)环境测量分析仪(包括磁力计、等离子体成像仪、带电粒子光谱仪、等离子体分析仪、高能粒子与等离子体谱仪(EPPS))、大气探测仪器(用于具有大气层的金星、水星探测,包括无线电科学实验仪(RS))、重力场试验仪器(包括多普勒重力场试验仪器等)。今后深空探测仪器的主要发展趋势是:高性能(如高分辨率)、小型轻质化、高集成度、高可靠、长寿命。2.探测仪器在深空探测中的应用实例(1)NASA“火星科学实验室”的阿尔法粒子X射线谱仪(APXS)(见图14):APXS仪器具有来自“火星探路者”(MP)和“火星探测漫游车”(MER)二者的传统,用于确定土壤和岩石中的元素含量,这对于了解火星形成的地质过程至关重要。(2)新型火星探测显微摄像仪:它可以表征水成岩,获得细小岩石特征以及碳酸盐一类物质的微小纹理的信息,还可以确定火星风化层中的微粒的形状和尺寸。(十)月面移动系统1.选址布局技术临时性和永久性外星工作站和基地的建设,首要任务当然是选址与布局。(1)选址。其基本原则是:便于着陆和适于在一定范围内活动的平坦区域;适于建设和人员长期居住;便于与地球进行通信和运输;具有科学研究价值;附近具有丰富资源。一般先通过多次无人探测选择载人着陆地点,并在此基础上选择建立工作站和基地的地点。美国月球前哨站的选址地点位于沙克尔顿月坑边缘上,在以前阿波罗飞船着陆的椭圆区域之内。(2)布局与建设。工作站或基地应该包括居住地、制造厂(制造氧、水或推进剂以及相关部件)、研究实验室、仓库和其他保障设施,并进行合理布局配置。图15是美国月球前哨站的站点构型布局示意图。2.外星表面运输与探测技术外星工作站和基地的表面运输与探测至关重要,涉及人员、货物和推进剂的运输以及在一定范围内的探测活动。其设施主要包括运输工具或车辆、可移动居住系统和表面巡视探测器以及必要的环境控制与生命保障、后勤供应支持设备等。美国月球前哨站的设想涉及居住组件、可移动着陆器和增压月面巡视探测器以及它们的混合配置。(1)居住组件具有乘员/货物着陆器的多居住组件如图17所示。可以利用可移动性着陆器组装前哨站。可移动性着陆器及其居住系统如图16所示。(2)月面巡视探测器(月球车)扩大探测范围甚至到达全月球的需要使得表面可移动性成为月球前哨的关键决定因素。月面移动的新方式是采用增压月面巡视探测器。NASA研究了两种月面巡视探测器,一种是小型敏捷月面巡视探测器,另一种是大型月面巡视探测器。小型增压月面巡视探测器如图18所示。它具有2人航天服装置,可进行快速到达(～15min)的舱外活动(EVA);具有环境控制与生命保障系统(ECLSS)组件;采用防冰后舱室提供太阳粒子活动(SPE)防护,并通过冰水相变提供车辆热控;增压传至居室,大幅度降低EVA负担;行走距离200km。长距离探测需要两辆有驱动器的这种增压月面巡视探测器。大型月面巡视探测器可以提供更远距离的月面探测。由于能很好地利用着陆器,并与增压月面巡视探测器结合,可以提供几千千米的探测距离,还可减少战神5火箭的数目。这种月面运送器带腿,腿上装轮,提供月面探测能力。(3)混合配置方式和统一月面系统混合配置方式是灵活的月球表面体系,尺寸小于单个居室,但大于微型居室方案的离散组件。它具有坚固耐久的货运着陆器;仅有2或3个组件的前哨站建设;由分散的月面移动系统提供便利的组装;骨架尺寸减至最小。月球前哨居住组件配置的混合方式如图19所示。着陆器包装、居室模块和表面运送器必须作为一个系统。居住组件为模块化设计,自带太阳电源、通信和闭合环境生命保障系统等;仅利用着陆器,货物就能交付使用。月面运送方案利用腿/轮进行组件的卸载、运输和放置。3.原位资源开发与利用技术(1)原位资源利用技术原位资源利用(ISRU)是采集、处理、储存与利用在载人与机器人探测期间所遇到的本地资源或原材料,从而降低成本与风险。2006年NASA首次制定了一项“ISRU技术开发计划”,使这种方式用于月球和火星的长期探测。该计划包括从2020年初期开始的扩大载人任务期间,发展对月球风化层(包括埋藏的挥发性物质)进行挖掘与采集的能力和生产氧来供应推进与生命保障耗材。原位资源利用技术主要包括下列3项:①用于推进剂和生命保障后援的氧的生产:包括月球土壤的搬运、拣选和粉碎;氧的化学、电化学或热萃取;萃取氧的分离、处理和储存;反应物的再循环;以及所还原的月球土壤的处置。根据月面到达舱的推进剂要求,支持每年两次任务的上升阶段将需要8～10t的氧。②挥发物的萃取和探矿:氢在月球两极(约1000ppm)远远多于赤道地区(约100ppm),而1000ppm的氢约为1%的水,如可在月球上采集则是非常宝贵的资源。原位资源利用计划正在研究月面巡视传感器/取样器方案,来自含有水或分子氢的加热样品中的气体挥发物将进行进一步处理,以分离与采集这两种物质。③月球风化层挖掘技术:原位资源利用计划正在确定挖掘月球表面风化层(向下约10～15cm)的能力,每年要采集与处理多达1000t的风化层。(2)原位制造与修理(IS-FR)技术ISFR是一项用于空间探测的新兴关键技术,将提高现有的技术水平,来支持居住建筑结构的建造、工具和机械零件制造以及空间部件的修理与置换。目前,美国马歇尔航天飞行中心(MSFC)正在开发在月球与火星表面工作期间具有原位制造能力的技术,这些技术将利用所供应的材料和本地提取的材料。IS-FR技术包括制造技术、修理与无损评价(NDE)技术和居住建筑结构。2006年该中心决定集中研究金属部件的制造技术,最后集中评价了电子束熔化(EBM)和选择激光烧结(SLS)两种工艺技术,其中SLS明显具有更好的表面光洁度,而EBM工艺在真空中进行,非常适合月球表面的环境以及探测任务的非增压空间飞行环境,因此结论是EBM工艺最适合于未来空间环境要求,EBM金属制造系统将支持NASA的现有计划(如CEV、CLV和E-CLSS)。(十一)物流与运输系统技术主要包括新型运载火箭(或重复使用运载器)推进系统技术、发射及发射场技术、返回着陆及着陆场技术、空间运输技术。(十二)加载系统技术主要包括ECLSS技术、航天服技术和航天员安全技术。二、世纪国外深空探测关键技术综上所述,21世纪国外深空探测的先进关键技术如表所示。表中共列出了21世纪国外深空探测领域12大类32子类的73项关键技术。今后随着各国(地区)深空探测计划的实施和新技术的开发,这些技术必将不断有所发展与变化。(一)探索与技术发展1.重视轨道设计,开发模块化空间轨道交会对接与组装技术。2.优先发展着陆器与表面巡视探测器技术,进行多方案论证。3.探索新型推进与能源技术。4.开发更远距离、更可靠的测控通信技术。5.发展新型自主智能技术。6.继续研发微小型化、高集成化、多功能化技术。7.积极探索外星工作站和基地建设技术。(二)探测关键技术从应用的角度出发,深空探测关键技术可分为共性关键技术和用于各种探测目的地(目标星)以及特殊用途的专用技术两大类。1.共性关键技术,主要包括飞行轨道设计技术,重要结构技术,深空热控技术,深空测控通信技术,自主导航与控制技术,新型推进与能源技术,微小型化综合电子设备技术,以及多目标与组合探测技术。2.月球探测关键技术,主要包括月球轨道器、着陆器、月面巡视探测器及机器人技术,下降、着陆、巡视和上升导航与控制技术。3.火星探测关键技术,主要包括核推进与能源技术,火星着陆选址技术,火星着陆器、表面巡视探测器技术,远距离测控通信技术与激光通信技术。4.金星、水星等探测关键技术,主要包括行星借力飞行与气动减