Η αδρανειακή πλοήγηση MEMS: Ο "μικροσκοπικός εγκέφαλος πλοήγησης" για την εξερεύνηση του διαστήματος

​

1. Τι είναι η Αδρανειακή Πλοήγηση MEMS; — Ο Μικροσκοπικός Πυρήνας της Διαστημικής Πλοήγησης

Η Αδρανειακή Πλοήγηση MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) είναι μια συσκευή πλοήγησης υψηλής ακρίβειας που κατασκευάζεται με βάση την τεχνολογία μικρο-ηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Αποτελείται κυρίως από γυροσκόπια MEMS (για τη μέτρηση της γωνιακής ταχύτητας), επιταχυνσιόμετρα MEMS (για τη μέτρηση της επιτάχυνσης) και μονάδες επεξεργασίας δεδομένων. Χωρίς να βασίζεται σε εξωτερικές αναφορές όπως σήματα δορυφόρων ή επίγειους σταθμούς βάσης, μπορεί να υπολογίσει ανεξάρτητα πληροφορίες θέσης, ταχύτητας και στάσης, αισθανόμενο την κατάσταση της κίνησής του. Αυτό το χαρακτηριστικό της «αυτόνομης πλοήγησης» το καθιστά ιδανική επιλογή για το ακραίο περιβάλλον του διαστήματος.

​

Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά αδρανειακά συστήματα πλοήγησης αεροδιαστημικής, η αδρανειακή πλοήγηση MEMS διαθέτει τρία βασικά πλεονεκτήματα: μικρογραφία, ελαφρύ σχεδιασμό και χαμηλό κόστος. Τα βασικά του εξαρτήματα μπορούν να μειωθούν σε κλίμακα χιλιοστού, με βάρος που κυμαίνεται από μερικά γραμμάρια έως δεκάδες γραμμάρια και κατανάλωση ενέργειας τόσο χαμηλή όσο το επίπεδο milliwatt. Επιπλέον, μπορεί να παραχθεί μαζικά, καλύπτοντας τέλεια τη βασική απαίτηση των διαστημικών σκαφών για «μείωση βάρους και βελτίωση της απόδοσης». Εν τω μεταξύ, μετά από ειδικές ενισχυτικές επεξεργασίες όπως η αντοχή στην ακτινοβολία και η αντοχή σε υψηλές-χαμηλές θερμοκρασίες, η αδρανειακή πλοήγηση MEMS μπορεί να αντέξει ακραίες διαστημικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένου του κενού, της ισχυρής ακτινοβολίας και των δραστικών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας (-200℃~+120℃), με τη σταθερότητα και την αξιοπιστία της να φτάνουν τα πρότυπα αεροδιαστημικής.

2. Ο Ολοκληρωμένος Βοηθός για την Εξερεύνηση του Διαστήματος — Βασικά Σενάρια Εφαρμογής της Αδρανειακής Πλοήγησης MEMS

2.1 Ο «Ελεγκτής Στάσης» για Δορυφόρους και Διαστημικά Σκάφη

Οι δορυφόροι πρέπει να διατηρούν με ακρίβεια τη στάση τους κατά τη διάρκεια της τροχιακής λειτουργίας (π.χ., ευθυγράμμιση των ηλιακών συλλεκτών με τον ήλιο και των κεραιών επικοινωνίας με τη Γη), ένα έργο που επιτυγχάνεται κυρίως από συστήματα αδρανειακής πλοήγησης MEMS. Με τη μέτρηση σε πραγματικό χρόνο της γωνιακής ταχύτητας και των αλλαγών στάσης των δορυφόρων, παρέχει υποστήριξη δεδομένων για το σύστημα ελέγχου στάσης, οδηγώντας ενεργοποιητές όπως προωθητήρες και τροχούς αντίδρασης για την έγκαιρη προσαρμογή της στάσης και τη διασφάλιση της σταθερής λειτουργίας των δορυφόρων.

Για παράδειγμα, σε αστερισμούς δορυφόρων επικοινωνίας χαμηλής γήινης τροχιάς (όπως το Starlink), κάθε δορυφόρος πρέπει να ολοκληρώσει γρήγορα την αλλαγή τροχιάς και τη βαθμονόμηση στάσης. Η αδρανειακή πλοήγηση MEMS έχει γίνει το βασικό στοιχείο πλοήγησης για τη μαζική ανάπτυξη αστερισμών λόγω των πλεονεκτημάτων της «γρήγορης απόκρισης και του μικρού μεγέθους». Για διαστημικές ανιχνευτές βαθύ διαστήματος (όπως ρόβερ Άρη και ανιχνευτές αστεροειδών), η πλοήγηση σε πραγματικό χρόνο που βασίζεται σε επίγεια τηλεμετρικά σήματα είναι αδύνατη στο βαθύ διάστημα μακριά από τη Γη. Η αδρανειακή πλοήγηση MEMS, σε συνδυασμό με ανιχνευτές αστέρων και ατομικά ρολόγια, σχηματίζει ένα αυτόνομο σύστημα πλοήγησης για να διασφαλίσει ότι ο ανιχνευτής πετά με ακρίβεια στο στόχο.

2.2 Ο «Φύλακας Ασφαλείας» για Επανδρωμένες Διαστημικές Πτήσεις

Σε επανδρωμένα διαστημικά σκάφη όπως επανδρωμένα διαστημόπλοια και διαστημικούς σταθμούς, η αδρανειακή πλοήγηση MEMS αναλαμβάνει μια κρίσιμη αποστολή «υποστήριξης ζωής». Όχι μόνο μπορεί να παρακολουθεί σε πραγματικό χρόνο τη στάση, την ταχύτητα και τη θέση του διαστημικού σκάφους, παρέχοντας ακριβή δεδομένα για την προσαρμογή τροχιάς και την προσέγγιση και πρόσδεση, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει γρήγορα το πρόγραμμα ελέγχου έκτακτης ανάγκης σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης (όπως αποτυχία πρόσδεσης μεταξύ του διαστημόπλοιου και του διαστημικού σταθμού ή μη φυσιολογική στάση της κάψουλας επιστροφής κατά την επανείσοδο στην ατμόσφαιρα), διασφαλίζοντας έτσι την ασφάλεια των αστροναυτών.

Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το διαστημόπλοιο Shenzhou, όταν η κάψουλα επιστροφής επανεισέρχεται στην ατμόσφαιρα, θα βιώσει έντονη αεροδυναμική θέρμανση και διαταραχή στάσης. Η αδρανειακή πλοήγηση MEMS, που λειτουργεί σε συντονισμό με τα συστήματα υπέρυθρης πλοήγησης και ελέγχου αλεξιπτώτου, υπολογίζει με ακρίβεια τη θέση και τη στάση της κάψουλας επιστροφής για να διασφαλίσει ότι προσγειώνεται με ασφάλεια στο προκαθορισμένο σημείο προσγείωσης. Επιπλέον, μια μικροσκοπική μονάδα αδρανειακής πλοήγησης MEMS είναι ενσωματωμένη στις διαστημικές στολές των αστροναυτών, η οποία παρακολουθεί σε πραγματικό χρόνο τη στάση κίνησης των αστροναυτών και παρέχει αναφορά πλοήγησης για δραστηριότητες εκτός οχήματος.

2.3 Ο «Πλοηγός Ακριβείας» για Διαστημικά Ρομπότ και Υπηρεσίες σε Τροχιά

Με την ανάπτυξη των τεχνολογιών υπηρεσιών σε τροχιά (όπως συντήρηση δορυφόρων, απομάκρυνση διαστημικών συντριμμιών και συναρμολόγηση σε τροχιά), τα διαστημικά ρομπότ (ρομποτικοί βραχίονες και αυτόνομα κινητά ρομπότ) έχουν γίνει βασικός εξοπλισμός και η αδρανειακή πλοήγηση MEMS είναι το κλειδί για την «ακριβή λειτουργία» τους. Μπορεί να αισθανθεί σε πραγματικό χρόνο την κίνηση των αρθρώσεων και την απόκλιση θέσης των ρομπότ, διασφαλίζοντας ότι ο ρομποτικός βραχίονας αρπάζει με ακρίβεια δορυφόρους, ολοκληρώνει την αντικατάσταση εξοπλισμού ή επιτρέπει στο κινητό ρομπότ να κινείται κατά μήκος της προκαθορισμένης διαδρομής έξω από την καμπίνα του διαστημικού σταθμού.

Για παράδειγμα, όταν ο ρομποτικός βραχίονας του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ISS) μεταφέρει αστροναύτες και μεταφέρει φορτίο, τα δεδομένα στάσης υψηλής ακρίβειας που παρέχονται από την αδρανειακή πλοήγηση MEMS μπορούν να ελέγξουν το σφάλμα λειτουργίας εντός επιπέδου εκατοστού. Στο μέλλον, όταν τα «διαστημικά ρυμουλκά» καθαρίζουν τα διαστημικά συντρίμμια, πρέπει να προσδεθούν με ακρίβεια με τα συντρίμμια και η αυτόνομη ικανότητα πλοήγησης της αδρανειακής πλοήγησης MEMS μπορεί να εξασφαλίσει μια σταθερή και αξιόπιστη διαδικασία πρόσδεσης.

2.4 Ο «Αυτόνομος Πλοηγός» για την Εξερεύνηση του Βαθέος Διαστήματος

Σε αποστολές εξερεύνησης του βαθύ διαστήματος όπως η εξερεύνηση της Σελήνης και του Άρη, τα επίγεια τηλεμετρικά σήματα έχουν καθυστέρηση αρκετών λεπτών ή και δεκάδων λεπτών, καθιστώντας αδύνατο τον έλεγχο του ανιχνευτή σε πραγματικό χρόνο. Το χαρακτηριστικό της «αυτόνομης πλοήγησης» της αδρανειακής πλοήγησης MEMS είναι επομένως ιδιαίτερα σημαντικό. Ενσωματωμένο με οπτική πλοήγηση, ραντάρ πλοήγηση και άλλες τεχνολογίες, σχηματίζει ένα σύστημα πλοήγησης πολλαπλών πηγών, επιτρέποντας στον ανιχνευτή να σχεδιάζει ανεξάρτητα διαδρομές, να αποφεύγει εμπόδια και να επιτυγχάνει ακριβή προσγείωση.

Για παράδειγμα, όταν ο σεληνιακός ανιχνευτής Chang'e-5 πραγματοποίησε δειγματοληψία στην επιφάνεια της Σελήνης, η αδρανειακή πλοήγηση MEMS παρακολουθούσε σε πραγματικό χρόνο τη στάση και τη θέση του ανιχνευτή, διασφαλίζοντας ότι ο ρομποτικός βραχίονας δειγματοληψίας τοποθετούσε με ακρίβεια την περιοχή στόχου. Όταν το ρόβερ του Άρη ταξιδεύει στην επιφάνεια του Άρη, η αδρανειακή πλοήγηση MEMS, σε συνδυασμό με δεδομένα κάμερας εδάφους, προσαρμόζει ανεξάρτητα την κατεύθυνση και την ταχύτητα ταξιδιού για να αποφύγει να κολλήσει σε αμμόλοφους ή να συγκρουστεί με βράχους.

3. Τεχνολογικές Ανακαλύψεις και Μελλοντικές Προοπτικές — Από το «Χρήσιμο» στο «Εξαιρετικά Αποτελεσματικό»

Η εφαρμογή της αδρανειακής πλοήγησης MEMS στον διαστημικό τομέα είναι αδιαχώριστη από δύο βασικές τεχνολογικές ανακαλύψεις. Πρώτον, είναι βελτίωση ακρίβειας. Υιοθετώντας νέα υλικά (όπως μικροδομές με βάση το πυρίτιο και κρυστάλλους χαλαζία) και αλγορίθμους επεξεργασίας σήματος (όπως φιλτράρισμα Kalman και αντιστάθμιση νευρωνικού δικτύου), η σταθερότητα προκατάληψης των γυροσκοπίων MEMS έχει φτάσει το επίπεδο των 0,01°/h, το οποίο είναι κοντά σε αυτό των παραδοσιακών αδρανειακών συστημάτων πλοήγησης οπτικών ινών. Δεύτερον, είναι ενίσχυση για ακραία περιβάλλοντα. Μέσω βελτιστοποιημένης τεχνολογίας συσκευασίας και σχεδιασμού θωράκισης ακτινοβολίας, η αδρανειακή πλοήγηση MEMS μπορεί να λειτουργεί σταθερά για μεγάλο χρονικό διάστημα στο σκληρό περιβάλλον διαστημικής ακτινοβολίας, με διάρκεια ζωής άνω των 10 ετών.

Στο μέλλον, η εφαρμογή της αδρανειακής πλοήγησης MEMS στον διαστημικό τομέα θα αναπτυχθεί σε τρεις κατευθύνσεις. Πρώτον, είναι μικρογραφία και ενσωμάτωση, ενσωματώνοντας λειτουργίες όπως πλοήγηση, επικοινωνία και παροχή ενέργειας σε ένα μόνο τσιπ για τη δημιουργία «διαστημικού σκάφους σε τσιπ». Δεύτερον, είναι πλοήγηση συγχώνευσης πολλαπλών πηγών, επιτυγχάνοντας σε βάθος ενσωμάτωση με ανιχνευτές αστέρων, ατομικά ρολόγια, κβαντική πλοήγηση και άλλες τεχνολογίες για την περαιτέρω βελτίωση της ακρίβειας και της αξιοπιστίας της πλοήγησης. Τρίτον, είναι επέκταση βαθύ διαστήματος, που εφαρμόζεται σε πιο μακρινές διαστημικές αποστολές όπως η εξερεύνηση αστεροειδών και η διαστρική πλοήγηση και γίνεται ο «φορητός εγκέφαλος πλοήγησης» για τους ανθρώπους για την εξερεύνηση του σύμπαντος.

4. Συμπέρασμα

Από τον έλεγχο στάσης δορυφόρων έως την εγγύηση ασφάλειας επανδρωμένων διαστημικών πτήσεων, από την αυτόνομη πλοήγηση εξερεύνησης του βαθύ διαστήματος έως την ακριβή λειτουργία διαστημικών ρομπότ, η αδρανειακή πλοήγηση MEMS αναδιαμορφώνει τον τρόπο πλοήγησης της εξερεύνησης του διαστήματος με τα χαρακτηριστικά της «μικρογραφίας, της αυτονομίας και της υψηλής αξιοπιστίας». Με τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας, αυτός ο «μικροσκοπικός εγκέφαλος πλοήγησης» θα παρέχει σταθερή υποστήριξη πλοήγησης για τους ανθρώπους για να εξερευνήσουν το άγνωστο σε πιο μακρινά κοσμικά ταξίδια, βοηθώντας την εξερεύνηση του διαστήματος να εισέλθει σε μια νέα εποχή υψηλότερης απόδοσης, χαμηλότερου κόστους και μεγαλύτερης ασφάλειας.

​