پیش‌زمینه و هدف: این پایان‌نامه به توسعه الگوریتم‌های کنترلی برای سامانه‌ی MOXIE (آزمایش تولید اکسیژن در مریخ) اختصاص دارد. MOXIE که بر روی مریخ‌نورد Perseverance ناسا قرار دارد، با استفاده از الکترولیز اکسید جامد، دی‌اکسید کربن جو مریخ را به اکسیژن تبدیل می‌کند. اما این سامانه تا کنون به‌صورت دستی و گسسته برنامه‌ریزی شده و تنها در بازه‌های زمانی با چگالی هوای نسبتاً پایدار عمل کرده است. هدف اصلی این تحقیق، گام برداشتن به سوی عملکرد خودکار و پیوسته با استفاده از کنترل بازخوردی بر پایه‌ی حسگر فشار شماره ۴ (P4) است تا سامانه بتواند در شرایط چگالی متغیر جو مریخ (مثلاً هنگام غروب یا طلوع خورشید) نیز به‌طور ایمن اکسیژن تولید کند.

روش‌شناسی و مدل‌سازی: پژوهشگر با بهره‌گیری از داده‌های پرواز واقعی MOXIE (۹ اجرای قبلی) و داده‌های حسگر محیطی MEDA، یک مدل جعبه‌خاکستری (grey-box) برای رفتار P4 توسعه داد. این مدل، فشار P4 را تابعی از سه متغیر اصلی می‌داند: سرعت موتور کمپرسور (RPM)، چگالی جو ورودی و جریان اعمال‌شده به پیل‌های الکترولیز. با بهینه‌سازی پارامترهای مدل (شامل توان‌های نمایی RPM و چگالی)، خطای مدل روی داده‌های آموزش و اعتبارسنجی به ترتیب به ۲٫۰۵٪ و ۲٫۲۳٪ رسید. همچنین یک جمله‌ی اصلاحی برای تأثیر گرم شدن لوله‌ی ورودی در ساعات میانی روز به مدل افزوده شد. سپس کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (PI) مطابق با نرم‌افزار پروازی MOXIE شبیه‌سازی شد و پاسخ آن برای سناریوهای مختلف فشار و چگالی پیش‌بینی گردید.

آزمایش‌های عملی: برای اعتبارسنجی، مجموعه‌ای از آزمون‌ها بر روی سامانه‌ی FlatSat (نمونه‌ی آزمایشگاهی هم‌ارز MOXIE در رصدخانه‌ی هایاستک MIT) طراحی و اجرا شد. این آزمون‌ها در دو فاز انجام گرفت:

• آزمون‌های سرد (بدون تولید اکسیژن): شامل ۴ اجرا با بهره‌های کنترلی متفاوت (۵۰۰، ۱۰۰۰ و ۱۵۰۰) و یک آفست اولیه. نتایج نشان داد که کنترل‌کننده با بهره‌ی ۵۰۰، هرچند پاسخ کندتری دارد، اما فراجهش (overshoot) بسیار کمتری نشان می‌دهد و برای اجرای اصلی مناسب‌تر است.
• آزمون گرم (تولید اکسیژن) با عنوان FS OC06: در این اجرا، پیل‌های الکترولیز تا حدود ۸۴۰ درجه سانتی‌گراد گرم شدند و جریان‌های ۱ تا ۲ آمپر اعمال گردید. هم‌زمان، چگالی محفظه‌ی آزمایش به‌صورت پله‌ای تغییر داده شد تا شرایط جو متغیر مریخ شبیه‌سازی شود.

نتایج کلیدی:

• سیستم کنترل توانست با خطای کم، فشار P4 را در محدوده‌ی ۰٫۵۴ تا ۰٫۶۷ بار تثبیت کند، حتی زمانی که چگالی محفظه به‌صورت پله‌ای تغییر می‌کرد.
• مدل فیزیکی، پاسخ فشار را با دقت خوبی پیش‌بینی کرد، هرچند در لحظات تغییر ناگهانی چگالی، مدل یک جهش لحظه‌ای نشان داد که در داده‌های واقعی به‌صورت یک شیب ملایم‌تر دیده شد (به دلیل رفتار غیرایده‌آل محفظه).
• نرخ تولید اکسیژن با استفاده از جریان اندازه‌گیری‌شده محاسبه شد و حداکثر نرخ تولید به ۶٫۰۷ گرم بر ساعت رسید که از معیار موفقیت مأموریت MOXIE (۶ گرم بر ساعت) فراتر می‌رود.
• در طول تغییرات چگالی، نرخ تولید اکسیژن ثابت باقی ماند که نشان می‌دهد کنترل P4 توانسته دبی جریان ورودی به پیل‌ها را پایدار نگه دارد.
• زمان ثابت (time constant) پاسخ سیستم حدود ۵٫۶۵ ثانیه به‌دست آمد که با پیش‌بینی مدل (۵٫۸۱ ثانیه) تطابق خوبی داشت (خطای ۲٫۸۳٪).

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز: این پژوهش نشان داد که کنترل بازخوردی P4 می‌تواند MOXIE را در برابر نوسانات چگالی جو مقاوم کند و گامی مهم به سوی عملکرد نیمه‌خودکار این سامانه محسوب می‌شود. با این حال، برای دستیابی به خودکاری کامل (تعیین بهینه‌ی نقاط تنظیم فشار و جریان بر اساس شرایط لحظه‌ای جو)، نیاز به توسعه‌ی الگوریتم‌های پیشرفته‌تر است. در آینده‌ای نزدیک، این روش روی مدل مهندسی و مدل پروازی اصلی MOXIE نیز آزمایش خواهد شد و نتایج آن می‌تواند طراحی سامانه‌های نسل آینده‌ی تولید اکسیژن در مریخ را که برای پشتیبانی از مأموریت‌های انسانی به نرخ‌هایی حدود ۳ کیلوگرم در ساعت نیاز دارند، متحول سازد.

📑 فهرست مطالب