工程边缘

好奇:火星上的生命

模拟火星上好奇号探测器上REMS仪器周围的气流

由博士约瑟菲娜·托雷斯;博士。JGomez Elvira;S.纳瓦罗;MMarin;和S卡雷特罗天体生物学中心(INTA-CSIC)编辑:Mike Croegaert

T月球车环境监测站(REMS)是火星科学实验室(MSL)月球车有效载荷的一部分,更著名的是好奇心漫游者,2012年8月登陆火星。REMS由一组传感器组成,包括两个风传感器。这些传感器基于热膜风速测量,安装在位于月球车远程传感器桅杆上的两个小动臂中。在像月球车这样的复杂结构上测量风,需要尽可能了解月球车对风流的影响。

维纳斯地球和火星是太阳系内唯一有重要大气层的行星。金星的大气层比地球更热、密度更大,而火星比我们的星球更冷,密度更小。火星上的压力从5毫巴到9毫巴,温度取决于地理位置,但在盖尔火山口,好奇心在蔓延,温度范围为-80℃至5℃。尽管如此,火星上的大气现象与地球上的相似。火星日的持续时间比地球日长几分钟,围绕太阳进行一次完整的旋转所需的时间相当于地球年。与地球相似,它有四个季节,风期是火星年的下半年,当沙尘暴很普遍的时候。

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图1好奇心漫游者的自拍(长3米,宽度2.7米,高度2.2米,质量约900千克),在图像的左角和中间可以看到带有一个REMS风传感器的白色吊杆。

2012年8月,MSL探测器到达火星表面。它有一辆小车那么大,它配备了一个由地质构造组成的有效载荷,地球化学和大气仪器。它有一个机械臂,可以挖掘和回收土壤样本,然后进行现场分析。它有许多用于导航和科学目的的照相机。它最初的任务是一个火星年,但2017年将结束它在火星上的第二个全年。它的主要目标是确定红行星过去的可居住性,通过对水标志物的研究,矿物特征以及整个盖尔山沉积物。

由于月球车设计的一般限制,两个REMS动臂的长度不足以超出Rover流体体积,因此Rover会影响REMS体验的流体流动。这使得有必要确定哪一个风向对月球车的影响最大,以及它如何影响REMS测量。由于时间和设施的限制,风洞试验不可行,因此CFD模拟是首选的工具。了解月球车如何干扰气流,是REMS团队的模拟目标。

使用的CFD模拟软件是Mentor的F金宝博滚球专家loEFD™,188bet西门子公司。使用氟利昂,在激活了层流和湍流特征的情况下,生成了再现火星大气条件的外部边界条件域。模拟还模拟了固体中的热传导以及自由对流和强制对流。

模拟的流体计算域大小为4×4×2 m。使用一个精细的网格,真实再现了月球车的几何结构。基本网格尺寸nx=123,纽约=123,nz=123在3cm网格大小的域中创建初始网格。此外,局部网格已用于优化漫游器中的实体单元:“车轮,“桅杆和摄像机”,“甲板,“WS1”和“WS2.此外,还增加了一块坚实的地面,以模拟月球车对地形的影响。

由此得到的笛卡尔网格由320万个单元组成,其中包括230万个液体细胞,590,000个固体电池和300个,000个部分电池。图2对应于Rover固体电池。

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图2 FloEFD内的Rover固体电池

MSL月球车的中央车身包含了大部分月球车和仪器电子设备,它的推进系统是基于六个电动轮和一个悬挂系统来穿越粗糙的火星地形。它由放射性同位素热发生器(RTG)提供动力,可以直接与美国宇航局天线的深空网络或使用MRO或火星奥德赛卫星向地球中继数据。遥感天线杆支持一些用于导航和科学的摄像机,Chemcam仪器和大多数REMS传感器。

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图3火星探测器的俯视图。来自jpl.mars.gov的3D CAD模型。桅杆上两个风传感器的右侧特写,动臂2(左侧)动臂1(底部)

模拟的一般设置如下:压力713 pa,温度243 K,流体空气和分析类型”外部“.风速和风向通过风速VX的三个分量在速度参数框中设置。Vy和VZ。

当固体中的热传导被激活时,研究小组能够模拟出更加真实的条件,即月球车是如何被加热的,以及对大气和气流的干扰。

CPU计算时间从10到15小时不等,取决于在24 CPU机器中为模拟选择的风速或方向。

模拟的风向和风速为:5,10和20 m/s的速度,偏航角超过范围0,30…330度,节距=0度,30℃。

24个风力传感器基于热膜风速测量,它们的尺寸为1.5 mm x 1.5 mm x1.5 mm,位于动臂1和动臂2的前端。每个传感器都使用了局部细网格来正确地网格实体区域,精细网格的细节示例如图4所示。

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图4风传感器动臂2骰子精细网格的细节
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图5传感器周围点速度的详细信息

从模拟结果来看,可以确定月球车在不同方向和速度的风传感器上的扰动。为此目的,需要进行大量的模拟,但一旦模型准备好,可以通过修改初始参数发送一批模拟运行。

X,Y从设定点参数中提取Z速度细节信息。这些参数是在每个风传感器附近和两个动臂周围创建的。

图6,7和8自由流风速剖面在10 m/s下0°风向扰动的详细切割图,90℃,180度和270度。月球车在风传感器区域周围产生的扰动很容易被看到。

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图6 10米/秒大风(β=0)。动臂2切割图部分
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图7 10 m/s侧风(β=90)。动臂1切割图部分
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图8。逆风(β=180)。切割图部分动臂2水平
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图9。阵风(β=270)。动臂1水平切割图部分
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模拟还模拟了固体和对流中的传导。自由和强制。这使得模拟能够加热月球车的不同部件,提供了一个更现实的自由流速度扰动。图10显示了没有风和5米/秒后风的热羽流的影响。

REMS团队能够确定,通过FloEFD模拟,来自不同方向的入射风如何干扰风传感器上的读数。通过这些模拟的输出,研究小组更好地了解了哪个风传感器正在经历与自由流速度最接近的结果,并了解了不同的风向和速度,这些风向和速度可能会因月球车的几何结构而干扰两个传感器。

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图10。逆风(β=180)。逆风轮胎式龙门吊的热羽流

工具书类

〔1〕格罗青格,J.P.酥脆的,J.VasavadaA.R.等。空间科学版(2012)170:5.内政部:10.1007/s11214-012-9892-2

[2]G_Mez Elvira,J.军人,C.卡斯塔尼耶L.等。空间科学版(2012年)170:583。内政部:10.1007/s11214-012-9921-1

〔3〕多米尼格斯,M.吉姆·奈兹,五、RicartJ.科瓦尔斯基L.,托雷斯J.纳瓦罗S.肱骨的,J.卡斯塔尼耶L.,火星大气的热膜风速计。行星和空间科学,(2008)1169:1179。doi:10.1016/j.pss.2008.02.013

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