MOXIE从火星大气中制造氧气-MATLAB和Simulink

对于NASA的“毅力”漫游者来说，在经历了一次戏剧性的下降后，它需要一个隔热板、一个降落伞和一个火箭驱动的“天空起重机”，通过电缆将漫游者降落到地面。火星车的主要任务之一是在这颗红色星球上寻找前世生命的迹象。它还有一个鲜为人知的任务：测试能够支持人类生活的机器。

火星之旅需要大量的含氧物质供宇航员呼吸，但大多数是作为液体燃烧燃料供返程使用。四名船员需要25公吨（55000磅）。从地球上发射这种质量将花费数十亿美元，并且需要复杂的后勤保障，所以NASA计划就地利用现场发现的资源利用率。从两极开采冰以获取氧气将是一个艰巨的过程。相反，他们希望通过将氧气原子与占大气95%的二氧化碳分离，从而将其从大气中提取出来。

“如果我们在火星上破坏了什么东西，你就不能派任何人去修复它，你就完成了。因此，我们有一系列步骤，因此我们非常自信，而计算机模型，即数字孪生模型，就是其中一个关键步骤。”

“毅力”的肚子里有一个镀金的盒子，大约有汽车电池那么大：火星现场氧气资源利用实验，或称MOXIE。除了首字母缩写外，这个由麻省理工学院设计的设备的名称来自莫西，意思是勇敢的精神——这个词来源于马萨诸塞州发明的碳酸饮料莫西。作为人类任务的缩影，它将至少运行10次，测试其能力的极限。“我们正在寻求加快将人类送上火星的道路，”他说Michael Hecht博士麻省理工学院项目负责人。“我们希望尽快实现这一目标，风险更低，成本更低。”

该装置包括两个主要部件：气体压缩机和分解CO的固体氧化物电解器（SOXE）₂使用热和电。围绕这些部件的是管道、阀门、过滤器、传感器、电源和小型计算机。加利福尼亚喷气推进实验室（JPL）的MOXIE工程模型“双胞胎”用于在任务控制向远程MOXIE发送命令之前进行测试。另一对孪生兄弟只存在于软件中，赫克特的麻省理工学院团队在尝试工程模型上的命令之前先运行该软件。

莫西的金色工程双胞胎。 — 位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国航空航天局喷气推进实验室的实验室中，使用了一对几乎相同的MOXIE工程双胞胎进行测试。（图片由NASA/JPL-Caltech提供）

MOXIE的内部视图，左侧显示电机和涡旋泵压缩机，右侧显示SOXE总成。 — 带有SOXE组件的MOXIE内部。（图片由NASA/JPL-Caltech提供）

“如果我们在火星上破坏了什么东西，你就不能派任何人去修理，你就完了，”埃里克·欣特曼（Eric Hinterman）说，他是杰弗里·霍夫曼（Jeffrey Hoffman）实验室AeroAstro系的博士生，该项目的副负责人，也是前宇航员。Hinterman设计了软件模拟。“所以，我们有一系列步骤，所以我们很有信心，而计算机模型，数字孪生兄弟，就是其中一个关键步骤。”

双重检查

“当MATLAB问世时，它改变了我的职业生涯，”赫奇特说。“它就像一个袖珍计算器，让你可以担心其他事情，而不是用手计算和绘图。”在20世纪80年代，如果他发现问题，他会去马萨诸塞州纳蒂克的MathWorks办公室。1990年左右，他开始编写MATLAB^®组件本身。MATLAB非常适合MOXIE项目。

“我有很多建造东西的经验，但它们很少能准确地说明你是如何设计的。让我惊讶的是，这个模型已经非常接近于预测会发生什么。”

MathWorks的软件工程师Piyush Khopkar是MOXIE技术人员和操作团队的一员，他表示决定使用Simulink^®建模和仿真的图形环境非常简单。Simulink与MATLAB相连，MATLAB包含一个数学函数库和特定于应用程序的函数，因此“您不需要重新发明轮子。”

MOXIE Simulink模型是由以前的学生传给Hinterman的，但他将其剥离并重新编写。它为电路、化学、流体动力学、控制和传感器建模。“我被迫学习了很多电化学知识，”他说，“这很有趣。”

他为三个控制回路建模。第一种方法是在SOXE中保持一个设定的温度，计算出该设备在800摄氏度（1470华氏度）左右产生的热量，以及释放的热量。第二个控制电压以保持电流恒定。第三个通过调整压缩机叶片的旋转速度来确定内部压力。回路还需要对故障检测进行建模，并在出现问题时关闭运行。

Hinterman说，这个模型“相当复杂”。跟踪错误并不容易，尽管该软件有帮助。“有时候这是一个嵌套的问题，需要相当长的时间来调试。”此外，JPL有时会交换组件，他不得不调整自己的模型。“因此，跟上物理MOXIE的进展可能是最大的挑战之一。”

当模拟与工程模型不一致时，“每次都是不同的，”Hinterman说。“就像温度没有完全一致一样。然后我可能会发现隔热层上有一条裂缝。”

在开发过程中，当模型与现实不匹配时，Hinterman会与JPL对话，或仔细研究数据，并更改公式或常数。既然模型已经在地球上证明了自己，他不得不担心火星之旅可能会如何改变真正的MOXIE。发射和重返大气层可能会使事情发生动摇，或者重力差、灰尘和寒冷可能会导致意想不到的变化。他说，他准备在模型中加入“火星因素”，以模拟红色星球上的现实。

图示显示了MOXIE的内部和外部组件，包括压缩机、进气面板、传感器面板和SOXE。 — MOXIE分解图。（图片由NASA/JPL-Caltech提供）

Hinterman说：“我有很多建造东西的经验，但它们很少能准确地反映出你是如何设计的。”。将模拟结果与工程模型进行比较，“让我惊讶的是，模型与预测结果之间的差距如此之大。”

MATLAB为Simulink提供数据，包括硬件尺寸、大气条件、化学常数、控制系统设定值（如所需的SOXE温度）和安全极限。Simulink然后将模拟输出-传感器读数备份发送到MATLAB进行分析。MATLAB还接收来自火星上真实MOXIE的数据。但真实和虚拟的MOXIE并不会告诉你它们产生的氧气量或二氧化碳与一氧化碳的比例等简单信息。相反，MATLAB根据温度、压力和电压传感器数据计算这些值。Hecht说，它还估计了更多的理论值，如MOXIE的极限和危险点。“有一千种不同的小东西需要计算。”

应用程序的屏幕截图。左侧面板控制Mars、MOXIE和SOXE参数以及模拟时间。右侧面板显示模型输出，绘制电池温度和氧气生产速率。 — MOXIE Simulink模型应用程序，可自动运行模型模拟。

为了帮助MOXIE操作员运行模拟并解释数据，霍普卡设计了用户界面（UI）。其中一个虚拟滑块控制火星参数，如大气条件，以及MOXIE参数，如电流和温度。另一个UI显示来自火星模拟或实际实验的数据。Khopkar用一个名为App Designer的MATLAB环境构建了它们。作为运营团队的一员，他还可以使用这些UI。

完美着陆

毅力登陆火星后不久，莫西进行了一次健康检查。它将进行至少10次跑步，每次持续约一小时，每两个月一次。它们将越来越具有挑战性，在不同的大气条件和季节以及一天中的不同时间运行，然后尝试不同的模式和运行条件。

“[结果]让我们感到惊讶的是，它有多么完美……一种仪器在地面上生产，其性能符合所有适用要求，它一路到达火星，制造氧气。”

2021年4月20日，MOXIE首次运行。MOXIE成功地每小时产生6克氧气，正朝着每小时10克的目标迈进。赫克特当时说：“这是一次非常疯狂的旅程。我们都头晕目眩。然后是时候开始认真地回复电子邮件和与媒体交谈了，但我想看看数据。”。MOXIE使用了一些著名的技术，但其中大部分是新领域。“它并不是从任何接近火星上大多数事物所拥有的遗产的地方开始的。”

赫赫特说：“结果让我们感到惊讶的是，它有多么完美。”。“事情不应该那么完美。地面上生产的一种仪器的性能符合所有要求，它一路飞到火星上，制造氧气。这是你屏住呼吸的地方。”

带有指向MOXIE位置的标签的Perseverance漫游车插图。 — 毅力漫游车上MOXIE的位置。（图片由NASA/JPL-Caltech提供）

他继续说道， “当我们周二运行它时，距离上次运行并制造氧气已经有两年了。两年后，当你把自行车从壁橱里拿出来时，你预计必须给链条上油，拆下几个轴承，更换轮胎，因为轮胎可能已经旧了，有裂纹。我们把MOXIE装进了漫游车，把它翻过来，让它经历热循环，然后发射升空。它在真空中航行了几个月。我们把它扔到了火星上，随着东西的部署，发生了猛烈的爆炸。然后我们等待着。当我们在这些非常恶劣的环境下运行它时，似乎没有发生任何事情。”

更大更好

这项工作远未完成。赫奇特说：“总的来说，控制系统缺乏智能是最大的挑战。”。他想让它更加自治，也许可以从地球上传新软件。这需要首先进行模拟测试。

Hinterman正在研究MOXIE的继任者，NASA将在将人类送往火星之前部署该继任者。它将花费14个月的时间来生产成吨的氧气。在某些方面，这台机器将面临更大的挑战，在其他方面，也将面临更小的挑战。它需要运行更长的时间并产生更多的氧气，但它将在较低的海拔高度运行，拥有更智能的计算机、更好的过滤、更好的传感器和自清洁能力。

“真正的价值在于，[MATLAB]可以看到所有这些不同的变量是如何相互作用的……它可以看到所有的交互作用，而人类很难做到这一点。”

这些是Hinterman需要模拟的新元素。一个巨大的区别是：未来的机器将液化、储存和转移其制造的氧气，而不是将其释放到火星大气中。“我花了过去两个月的时间专门为液化系统建模，”他说。

Hinterman正在使用MATLAB优化算法帮助设计硬件布局。他可以告诉软件将质量降到最低，它将尝试不同的泵或压缩机，或一套操作条件。“真正的价值在于它可以看到所有这些不同的变量是如何相互作用的，”他说。“因此，如果你选择低温泵而不是机械泵，也许低温更好。也许出于某种原因，温度越高越好，它可以看到所有这些相互作用，而人类很难做到这一点。”

目前，赫克特没有在下一个项目中投入太多精力。“我现在正专注于经营这家公司。”

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