可靠性设计典范——原计划工作90天,实际工作5250天

传感器技术 2019-04-01


火星车机遇号,执行任务周期原计划90天,实际工作5250天,它是人类智慧与勇气的结晶,也是永远值得铭记的先驱者。



高1.5米,宽2.3米,长1.6米,6个轮子。

勇气号(左)于2003年6月10日发射后,机遇号(右)也成功发射,2003年7月7日,出发

历经200多天,2004年1月25日降落

控制降落的速度,此时防震等机械可靠性就很重要

着陆时间6分钟,分解成几千个执行动作

用气囊弹跳的方式着陆。

释放气囊。

模拟动画来自《Roving Mars》


太阳能电板每天提供0.9千瓦时(不到1度电)的能量,只需要0.45千瓦时


机遇号太阳能电池板

行车的极限速度可以达到5厘米/秒

2010年8月4日,机遇号拍下自己的行驶轨迹


行驶10秒,就会休息20秒


火星时常会爆发全球性沙尘暴

装了两个7千克重的锂电池,用来储备能量。

爬过最陡的斜坡,32°

2005年4月26日几只脚陷进沙子里面了。

经过6个星期的精细操作,不断模拟分析,才终于脱险。

一共传回了217594张照片,

还拍过许多张360度全景火星照。


总里程超过45千米

2018年6月10日,快没电了,天也开始变黑了。


为什么设计寿命三个月?


由于火星大气极其稀薄,几乎没有保温作用,导致在太阳的照射下形成剧烈的气压差,从而形成全球性的风暴,平均风速是地球10倍以上。


表面极其干燥,遮天蔽日的沙尘暴在地球上都能用望远镜看见影响。


当年水手九号成为人类第一个环绕火星的探测器时,就发现了火星表面大规模沙尘暴,半年后才能对表面观察。


大家都认为三个月后火星上的沙尘暴会将它的太阳能电池板盖满沙尘,电能不足慢慢死亡。


为什么最后活到了今天?


也是因为剧烈的沙尘暴,甚至还有龙卷风!


虽然它和兄弟勇气号在2007年的巨大沙尘暴中险些挂了,但除此之外这些剧烈的风和龙卷风把覆盖在太阳能电池板上的沙尘都吹走了,能继续工作。


连续工作5250天,证明其他硬件质量真是杠杠的,工程师们并没有偷工减料,虽然你告诉我用三个月就完成任务,但依然按照能工作至少20年的态度生产每一个零件。


还有一个重要原因是直到今天它依然有很多兄弟在火星轨道上为它做信号传递服务,有已经工作了16年的奥德赛号、11年的轨道侦察器,刚抵达3年的MAVEN也在连续接力。


这让它可以一直保持与地球的通信,地球也能保证对它的有效控制。


为什么超预期?

美国之前发射了一大堆的火星车,探路者、勇气,这就是努力和经验的积累。而机遇号是技术+运气,因为机遇号如果那次陷坑里没出来的话就和勇气号一样了。至于寿命,航天设备的寿命预估都保守的厉害,这很正常。天宫一号设计2年,使用5年。其它的航天器搜搜看,超期服役的也很多。


比如一般电子设备都不会这么短时间就坏,限制整体寿命的多是易损耗、消耗品;像天宫就明显属于燃料耗尽无法维持轨道才开始掉下来的。而玉兔是动作机构坏掉了,但传输设备一直是好的。所以很少有电子产品在质保期到了就立即坏掉。航空产品更会留有足够的可靠性余量,保证万无一失。但是太空中不可预见的影响也非常多,且不可控,没法修,所以只能想办法确保他不坏。


这个就和使用寿命估计的方式有关系了,平时所说使用寿命,无非就是在使用一段时间内达到一定的可靠性,换言之就是将出故障的概率控制在某个范围之内。





对于平时量产型的工业品,是可以估计的,但是对于航天器来讲,由于一些零部件产量过低,准确的可靠性数据模型可能无法建立。此外,因为探测器要在外星球工作,研发人员对于探测器所作用的工况也未必能够完全了解,就好比玉兔号没有及时的预测月尘导致传动系统失效,任务失败。


这种情况下对于探测器的使用寿命估计往往偏保守,但即使这样探测器还是有因为不可预料的原因提前挂掉的,使得探测器的使用寿命呈现两极化趋势,要么很快就挂,要么超期服役的时间比较长。不可预料的原因里面也不完全都是坏事,比如地面人员也没有预测到火星上的大风能把机遇号太阳能电池板吹干净。机遇号能够做到这样,研发人员的努力自然是一方面,上帝的眷顾也是很重要的。


资料来源:

1、NASA官网:https://www.nasa.gov/nasalive

2、https://www.zhihu.com/question/312142122/answer/598399358

3、https://www.zhihu.com/question/47485261

4、公众号:lnstagram优选


文章来源:硬件十万个为什么

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