“毅力”號火星漫游者采用了抗輻射技術(shù)。這就是關(guān)鍵所在。

2019年5月12日，美國國家航空航天局(NASA)的好奇號火星車在火星上拍攝了57張照片。(圖片來源:美國國家航空航天局/加利福尼亞理工學(xué)院/ 多維空間聲系統(tǒng))

想想你的電腦在地球上崩潰的情景。現(xiàn)在想象一下，在火星上執(zhí)行漫游者任務(wù)時，同樣多么具有挑戰(zhàn)性。

自2012年8月登陸火星以來，“好奇號”探測車時不時會進(jìn)入“安全模式”，以處理故障和軟件問題。但每次任務(wù)都恢復(fù)正常，繼續(xù)史詩般的攀登火星山峰，尋找宜居環(huán)境。

從安全模式事故中吸取的所有“教訓(xùn)”現(xiàn)在都被嵌入了新的“毅力”漫游者，它是“好奇號”更強(qiáng)大的表親，并開始在火星上轉(zhuǎn)動。

從故障中恢復(fù)需要技術(shù)技巧，尤其是在火星塵土飛揚(yáng)、輻射覆蓋的表面。在許多情況下，輻射和電路交叉導(dǎo)致混亂 的局面。在火星上是不允許發(fā)生的，因為“毅力號”上的電路控制著從相機(jī)到激光的一切，以及復(fù)雜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將為未來的采樣返回任務(wù)緩存可能適合居住的巖石樣本。

那么解決方案是什么呢?Xilinx是一家為毅力號的幾臺儀器提供集成電路的公司，自2004年美國宇航局的機(jī)遇號和勇氣號探測器以來，該公司就在火星上擁有了技術(shù)。Xilinx不能泄露它所有的保持電路安全的“秘密武器”——它是專有的——但其中很多都?xì)w結(jié)于適當(dāng)?shù)钠帘魏蛡浞荨?/p>

“我們打造的是硬度，”Xilinx（賽靈思公司）的航空航天和國防市場直營總監(jiān)米納爾·薩旺特(Minal 薩旺特)在談到該公司保持電路抗輻射的方法時說。薩旺特指出，一些機(jī)密衛(wèi)星也在近地輻射帶的惡劣環(huán)境中長期使用了Xilinx電路，因此Xilinx在地球軌道和火星上親身經(jīng)歷了輻射，并知道如何應(yīng)對輻射。

在“毅力”號上，電路是“三模塊冗余”的，這意味著Xilinx要為探測器上的一個儀器或一個攝像頭生產(chǎn)出三個電路副本?！叭绻粋€電路被擊中，其他兩個仍能工作。這樣才能確保它變硬，”元榮說。

每造出一代探測車，工作就變得越來越困難，因為線路密度越來越大。這是因為每個月球車的任務(wù)是收集并向地球傳輸比以往任務(wù)更多的信息?！半S著我們的創(chuàng)新越來越多，密度也越來越高，”薩旺特解釋說。

每一代探測車都有更多可能的故障點(diǎn)。例如，“勇氣號”和“機(jī)遇號”各自只攜帶了9個攝像頭;毅力有23個。工具和任務(wù)也變得越來越復(fù)雜。然而，值得注意的是，Xilinx的電路經(jīng)受了時間的考驗。

“勇氣號”和“機(jī)遇號”本應(yīng)在火星上持續(xù)90個地球日，但每個地球日都持續(xù)了好幾年。攜帶Xilinx產(chǎn)品的“好奇號”在2012年著陸后執(zhí)行了為期兩年的主要任務(wù)，但在火星上生活了近7年后，它仍在強(qiáng)勁發(fā)展。鑒于這一記錄，薩旺特希望“毅力”號也能存活很長一段時間。

美國國家航空航天局(NASA)的好奇號火星車在火星上拍攝了57張照片。(圖片來源:美國國家航空航天局/加利福尼亞理工學(xué)院/ 多維空間聲系統(tǒng))

使集成電路響應(yīng)更靈敏的一種方法是設(shè)計成易于調(diào)節(jié)的。我們知道了在電腦上應(yīng)用軟件更新的價值，在火星上對漫游者則有相當(dāng)明顯的作用。例如，在“好奇號”上，2016年的一項軟件更新讓該探測器在激光擷取目標(biāo)時更加自主。Xilinx能為其集成電路提供類似的靈活性。

“我們制造的這些芯片是可配置的，”薩旺特說?！霸O(shè)計師或用戶可以將特定的算法或設(shè)計放入其中，然后實(shí)現(xiàn)功能。它不是一個固定的功能，更傾向一個可編程的功能，一種根據(jù)需要進(jìn)行改變的能力?！?/p>

Xilinx的系統(tǒng)已經(jīng)通過了“毅力”號的強(qiáng)大測試。這些電路被用于“毅力”號著陸系統(tǒng)的“視覺計算”元件，使其能夠選擇在火星上降落的正確地點(diǎn)。具體來說，Xilinx產(chǎn)品處理圖像過濾、檢測和匹配等視覺任務(wù)。著陸的另一個關(guān)鍵部分涉及“毅力”號的距離和速度測量，使用的是由Xilinx技術(shù)提供動力的雷達(dá)終端下降傳感器。

薩旺特指出，盡管這些著陸系統(tǒng)不會在地面上運(yùn)行數(shù)年或更久，但它們必須經(jīng)歷幾個月的旅行，經(jīng)歷發(fā)射時的震動、太空中極冷和極熱的環(huán)境以及太空輻射。

Xilinx公司的集成電路被用于“毅力”號上的四種儀器，它們的設(shè)計都能經(jīng)受長期的火星輻射。這些儀器是行星x射線巖石化學(xué)儀器(PIXL)，用于識別化學(xué)元素;用于中繼電信的超高頻收發(fā)機(jī);用于拍攝海面全景照片的毅力號桅桿相機(jī)，以及用拉曼和發(fā)光技術(shù)掃描可居住環(huán)境的有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)(SHERLOC)，該技術(shù)對礦物、有機(jī)分子和潛在生命跡象進(jìn)行精細(xì)探測。

Xilinx電路在NASA的小行星“貝努”的奧里西斯-雷克斯（起源、光譜解釋、資源識別、安全- 風(fēng)化層、探索者)任務(wù)中也運(yùn)行良好，該任務(wù)自2016年以來一直在太空中，直到2023年才會帶著樣本返回地球。Xilinx計劃在NASA的木衛(wèi)二快船任務(wù)發(fā)射中運(yùn)用該技術(shù)，以環(huán)繞這顆冰冷的木星衛(wèi)星，在計劃2024年發(fā)射后，則需要6年的太空巡航時間。

Xilinx是為“毅力”漫游者的系統(tǒng)和儀器提供動力的合作公司之一。另一個是與芬蘭氣象研究所(FMI)合作的維薩拉。這次他們 為火星車上由西班牙領(lǐng)導(dǎo)的火星環(huán)境動力學(xué)分析儀提供了傳感器?；鹦黔h(huán)境動力學(xué)分析儀是一個紅色星球氣象站，用于檢測溫度、風(fēng)速和風(fēng)向、相對濕度和灰塵顆粒等。這個小組也意識到火星任務(wù)的挑戰(zhàn)性。

FMI行星研究和空間技術(shù)小組負(fù)責(zé)人瑪麗亞·健擇(Maria Genzer)在一份聲明中表示:“火星車的設(shè)備需適應(yīng)火星的惡劣環(huán)境來運(yùn)行，極低壓，極低溫度，而且必須能夠抵御意外的全球沙塵暴。”“除了環(huán)境因素，火星和地球之間的距離也使這項任務(wù)具有挑戰(zhàn)性。如果出了問題，沒有人來修理儀器?！?/p>

至于Xilinx，其最新一代集成電路將于2020年5月發(fā)布，它不僅能抵抗繞地球多個軌道或執(zhí)行太陽系任務(wù)時的輻射，還將包括一個機(jī)器學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)。機(jī)器學(xué)習(xí)(人工智能的一個方面)使計算機(jī)能夠從數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)，并應(yīng)用這些信息做出決定。

薩旺特說，例如，一顆繞地衛(wèi)星可以丟棄包括云在內(nèi)的光學(xué)圖像，只在清晰的條件下發(fā)送圖像。推而論之，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)在火星上用于識別新的隕石坑等應(yīng)用。

BY:Elizabeth Howell

FY: Jane

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