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上得去回得来!NASA机器人将用火星土壤制造火箭燃料

最近,NASA 在肯尼迪航天中心的“沼泽车间”演示验证了原位资源利用系统——火星“燃料工厂”。该系统计划将全部仪器装入一个“小盒子”运往火星,令其自行生产和储存燃料、水与氧气。

一、“燃料工厂”的主要设备

“燃料工厂”的主要设备包括可自由活动的“风化层先进表面系统操作机器人”(RASSOR)和固定的集成式“加工厂”。

RASSOR 由驱动系统和滚筒组成,是一种可在低重力条件下挖掘风化层的自动采矿车辆。RASSOR 驱动系统由电动机、变速箱等组成,在系统的最终质量中占很大比例。由于火星表面重力加速度比地球小,难以使用普通的重型挖掘设备挖掘土壤,NASA 使用无框电机、电磁制动器和 3D 打印钛外壳等,缩小机器人体积,并将重量减少到现有挖掘机的一半。下图为 “RASSOR” 机器人样机示意图

RASSOR 有两个相对的滚筒,每个滚筒的边缘都装有几个挖掘铲斗。当滚筒开始旋转时,支撑它的机械臂向下倾斜,铲斗缓慢前进,刮起少量的表层土,在地表形成浅浅的沟槽。滚筒是中空的,可收集和保存挖掘的土壤。此外,在挖掘时,两个滚筒向相反的方向旋转,抵消了大部分的反作用力,使 RASSOR 能够在低重力下挖掘。滚筒装满后,RASSOR 就会抬起手臂,向加工厂驶去。卸货时,RASSOR 只需反向旋转滚筒,通过铲斗倒出土壤。

集成式的“加工厂”负责处理接下来的任务。它使用机械升降机臂将 RASSOR 倒出的土壤抬升到工厂的甲板上,并将其转移到烤炉中。烤炉会自动密封并开始加热。附着在土壤中的水分子由干燥的气体吹风机排出,然后用冷凝管收集,用于下一步反应。排净水分后,干燥的土壤就会被倾倒在地上,由 RASSOR 把它铲起并拖走。利用 NASA 正在开发的 3D 打印方法,这些材料可用于建造保护结构、道路和着陆平台。

二“燃料工厂”的具体工作流程

1.开采:轮式机器人通过旋转外部装有铲斗的滚筒挖掘风化层。

2.运输:反向旋转滚筒,机器人将收集到的风化层倾倒入升降机臂中。

3. 加工:烤炉加热风化层以提取水,水被电解成氢气和氧气。Sabatier反应器将氢气与从大气中收集的二氧化碳结合,产生甲烷燃料。

4.转移:机器脐带臂将流体输送到移动贮箱中。脐带臂两端均配备气密门,以防止灰尘进入。

5.运达:贮箱机器人将水、氧气和甲烷输送到人类居住区和长期储罐中。

6.使用和储存:宇航员消耗水和氧气(也用于种植植物),而燃料则在低温液态下保存以备将来使用。

三、面临的挑战

在任务正式实施之前,NASA 还需要克服许多技术挑战。

  • 一是火星原位资源利用系统的子系统是否可以扩展以满足载人火星任务的需求。NASA 最近的研究表明,这样的系统需要在大约 16 个月内生产约 7 吨重的液态甲烷和约 22 吨重的液氧。为此,NASA 必须确定在哪里着陆和挖掘以使产量最大化,需要多少台 RASSOR 挖掘机,每天需要运行多少小时,二氧化碳冷冻机和 Sabatier 反应器的大小及功率。更重要的是,NASA 需要识别哪些潜在的单点故障可能中断表面挖掘任务并延迟随后的载人任务,以便为系统添加适当的重复和冗余模块。
  • 二是风化层表面下的土壤-冰混合物的坚硬程度有待研究。RASSOR 的铲子在挖掘土壤与大冰块的混合物时效果最佳,但它不适合分解巨大、坚固的冰块。为了设计出最合适、最有效的挖掘设备,NASA 需要明确火星表面下的冰和风化层的构成,设计更复杂、更强大的工具,以完成各种密度的土壤-冰混合物挖掘工作。
  • 三是 NASA 还需要解决长期储存超冷液体的挑战。压力容器、绝缘技术和材料不断改进,但目前的技术是否能支持火星表面的长期工作,还不得而知。

四、未来计划

在未来几年里,NASA 将研究解决上述所有挑战。尽管长期计划是前往火星,但 NASA 希望将月球作为中期目标

  1. 将首先在月球表面试验大多数设备并进行微调,以降低直接前往火星的风险;
  2. 继续提高所有原型组件的功能和成熟度,使 RASSOR 机器人更强、更轻,并在类似于火星的环境中进行测试;
  3. 继续测试与集成烤炉和电解槽,尝试扩大二氧化碳冷冻机和 Sabatier 反应堆的规模,
  4. 最终使火星“燃料工厂”成为完全可以在火星上运行的系统。

(中国航天系统科学与工程研究院 李薇濛)

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