MEMS-Inerznavigation: Das "Miniatur-Navigationshirn" für die Raumfahrt

- Ich weiß.

1. Was ist MEMS Trägheitsnavigation?

Ein Trägheitsnavigationssystem (MEMS) ist eine hochpräzise Navigationsvorrichtung, die auf der Grundlage mikroelektromechanischer Technologie hergestellt wird.Es besteht hauptsächlich aus MEMS-Gyroskopen (zur Messung der Winkelgeschwindigkeit), MEMS-Beschleunigungsmessgeräte (zur Messung der Beschleunigung) und Datenverarbeitungseinheiten.Es kann die Position unabhängig berechnenDiese "autonome Navigation" macht es zu einer idealen Wahl für die extreme Umgebung des Weltraums.

- Ich weiß.

Im Vergleich zu traditionellen Trägheitsnavigationssystemen der Luft- und Raumfahrt verfügt die Trägheitsnavigation MEMS über drei wesentliche Vorteile:Miniaturisierung, Leichtbau und geringe KostenDie Kernkomponenten können auf Millimetermaßstab reduziert werden, mit einem Gewicht von mehreren Gramm bis zu zehn Gramm und einem Stromverbrauch von nur milliwatt.perfekt den Kernbedarf von Raumfahrzeugen für "Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung" erfülltIn der Zwischenzeit, nach speziellen Verstärkungsbehandlungen wie Strahlungsbeständigkeit und hohen Niedertemperaturbeständigkeit, kann MEMS Trägheitsnavigation extremen Raumbedingungen einschließlich Vakuum standhalten.starke Strahlung und drastische Temperaturschwankungen (-200°C~+120°C), mit einer Stabilität und Zuverlässigkeit, die den Luft- und Raumfahrtstandards entspricht.

2. Der Allround-Assistent für die Weltraumforschung ️ Kernanwendungsszenarien der MEMS-Inerznavigation

2.1 Der "Attitude Controller" für Satelliten und Raumfahrzeuge

Satelliten müssen während des Orbitalbetriebs ihre Position genau aufrechterhalten (z. B. Anordnung von Solarkollektoren an die Sonne und Kommunikationsantennen an die Erde).eine Aufgabe, die hauptsächlich durch MEMS-Inerznavigationssysteme ausgeführt wirdDurch die Echtzeitmessung der Winkelgeschwindigkeit und der Haltungsänderungen der Satelliten bietet es Datenunterstützung für das Haltungssteuerungssystem.Antriebsvorrichtungen wie Treiber und Reaktionsräder zur rechtzeitigen Anpassung der Haltung und zur Gewährleistung des stabilen Betriebs von Satelliten.

Zum Beispiel müssen in Kommunikationssatellitenkonstellationen mit niedriger Erdumlaufbahn (z. B. Starlink) alle Satelliten schnell den Orbitalwechsel und die Haltungskalibrierung abschließen.Die MEMS-Inerznavigation ist aufgrund ihrer Vorteile "schnelle Reaktion und geringe Größe" zur Kernnavigationskomponente für die Chargenbereitstellung von Konstellationen geworden.Für Raumsonden im Weltraum (z. B. Mars-Rovers und Asteroidendetektoren) ist eine Echtzeit-Navigation, die auf Boden-Telemetrie-Signale beruht, im Weltraum weit von der Erde entfernt unmöglich.MEMS Trägheitsnavigation, kombiniert mit Stern-Trackern und Atomuhren, bildet ein autonomes Navigationssystem, um sicherzustellen, dass die Sonde genau zum Zielkörper fliegt.

2.2 Der "Safety Guardian" für bemannte Raumfahrt

In bemannten Raumfahrzeugen wie bemannten Raumfahrzeugen und Raumstationen übernimmt die Trägheitsnavigation MEMS eine kritische Mission auf "Lebensunterhaltsebene".Geschwindigkeit und Position des Raumfahrzeugs, die genaue Daten für die Orbitalanpassung, das Rendezvous und das Anlegen liefert,aber auch schnell das Notfall-Haltungskontrollprogramm im Notfall auslösen kann (wie z.B. Docking-Fehler zwischen dem Raumschiff und der Raumstation, oder eine abnormale Haltung der Rückkehrkapsel beim Wiedereintritt in die Atmosphäre), wodurch die Sicherheit der Astronauten gewährleistet wird.

Wenn wir das Raumschiff Shenzhou als Beispiel nehmen, wenn die Rückflugkapsel wieder in die Atmosphäre eintritt, wird sie eine intensive aerodynamische Erwärmung und Einstellungsstörungen erleben.Arbeiten in Abstimmung mit Infrarot-Navigations- und Fallschirmsteuerungssystemen, berechnet die Position und Haltung der Rückflugkapsel genau, um sicherzustellen, dass sie sicher am vorgegebenen Landeplatz landet.Ein Miniatur-MEMS-Inerz-Navigationsmodul ist in die außerfahrzeugartigen Raumanzüge der Astronauten integriert, die die Bewegungsstellung der Astronauten in Echtzeit überwacht und Navigationsreferenzen für außerfahrzeugische Aktivitäten bereitstellt.

2.3 Der "Präzisionsnavigator" für Weltraumroboter und Dienstleistungen im Orbit.

Mit der Entwicklung von Weltraumdiensttechnologien im Orbit (z. B. Satellitenwartung, Entfernung von Weltraummüll und Montage im Orbit)Weltraumroboter (Roboterarme und autonome mobile Roboter) sind zu Kerngeräten geworden, und die MEMS-Inerzialschifffahrt ist der Schlüssel zu ihrem "präzisen Betrieb". Sie kann die Gelenkbewegung und Positionsabweichung von Robotern in Echtzeit erfassen,Sicherstellung, dass der Roboterarm Satelliten genau erfasst, den Ausrüstungsaustausch abschließt oder dem mobilen Roboter ermöglicht, sich außerhalb der Raumstationskabine auf dem vorgegebenen Weg zu bewegen.

Zum Beispiel, wenn der Roboterarm der Internationalen Raumstation (ISS) Astronauten überträgt und Fracht transportiert,Die hochpräzisen Einstellungsdaten der MEMS-Inerzialschifffahrt können den Betriebsfehler auf Zentimeterhöhe steuern.Wenn in Zukunft "Weltraumschlepper" Weltraummüll aufräumen, müssen sie genau mit dem Trümmer anlegen.und die autonome Navigationsfähigkeit der MEMS-Inerzialschifffahrt kann einen stabilen und zuverlässigen Andockprozess gewährleisten.

2.4 Der "autonome Navigator" für die Erforschung des Weltraums

Bei Raumforschungsmissionen wie Mond- und Marsforschung sind die Telemetrie-Signale am Boden mit einer Verzögerung von mehreren Minuten oder sogar Zehntausenden von Minuten ausgestattet.Es ist unmöglich, die Sonde in Echtzeit zu steuern.Die "autonome Navigation" der MEMS-Inerznavigation ist daher besonders wichtig.Es bildet ein Fusionsnavigationssystem aus mehreren Quellen., so daß die Sonde unabhängig voneinander ihre Bahnen planen, Hindernisse vermeiden und eine präzise Landung erreichen kann.

Als die Mondsonde Chang'e-5 beispielsweise Proben der Mondoberfläche entnahm, überwachte die MEMS-Inerznavigation in Echtzeit die Haltung und Position der Sonde.Sicherstellung der genauen Positionierung des Zielbereichs durch den RoboterarmWenn der Mars-Rover auf der Marsoberfläche fährt, kombiniert die MEMS-Inerz-Navigation mit Terrain-Kamera-Datendie Fahrtrichtung und -geschwindigkeit unabhängig voneinander anpasst, um nicht in Sanddünen stecken zu bleiben oder mit Felsen zu kollidieren.

3. Technologische Durchbrüche und Zukunftsperspektiven

Die Anwendung von MEMS-Inerzialschifffahrt im Weltraum ist untrennbar mit zwei Kerntechnologischen Durchbrüchen verbunden.Verbesserung der Präzision. Durch die Einführung neuer Materialien (z. B. Silizium-basierte Mikrostrukturen und Quarzkristalle) und Signalverarbeitungsalgorithmen (z. B. Kalman-Filterung und Kompensation von neuronalen Netzwerken)Die Verzerrungsstabilität von MEMS-Gyroskopen beträgt 0.01°/h, was dem der traditionellen Glasfasernavigationssysteme nahe kommt.Verstärkung für extreme UmgebungenDurch die optimierte Verpackungstechnologie und die Strahlenschutzkonstruktion kann die MEMS-Inerzialschifffahrt lange Zeit stabil in der rauen Raumstrahlungsumgebung arbeiten.mit einer Laufzeit von mehr als 10 Jahren.

In Zukunft wird sich die Anwendung der MEMS-Inerznavigation im Weltraum in drei Richtungen entwickeln.Miniaturisierung und Integration, die Funktionen wie Navigation, Kommunikation und Energieversorgung auf einem einzigen Chip integrieren, um "On-Chip-Raumschiffe" zu schaffen.Fusionsnavigation aus mehreren Quellen, die tiefgreifende Integration mit Sternenspuren, Atomuhren, Quantennavigation und anderen Technologien zur weiteren Verbesserung der Navigationsgenauigkeit und -zuverlässigkeit.Expansion im Weltraum, wird auf weiteren Raumfahrtmissionen wie Asteroidenerforschung und interstellare Navigation angewendet und wird zum "tragbaren Navigationshirn" für Menschen, um das Universum zu erforschen.

4Schlussfolgerung.

Von der Satelliten-Haltungskontrolle bis zur Sicherheit von bemannten Weltraumflügen, von der Erforschung des Weltraums, der autonomen Navigation bis zum präzisen Betrieb von Weltraumrobotern,Die MEMS-Inerznavigation verändert den Navigationsmodus der Weltraumforschung mit ihren Merkmalen der "Miniaturisierung"Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie,Dieses "Miniatur-Navigationshirn" wird den Menschen eine solide Navigationsunterstützung bieten, um das Unbekannte in weiter entfernten kosmischen Reisen zu erforschen., die Raumfahrt in eine neue Ära mit höherer Effizienz, niedrigeren Kosten und größerer Sicherheit führen.

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