Navigasi Inersia MEMS: "Otak Navigasi Miniatur" untuk Eksplorasi Luar Angkasa

​

1. Apa itu Navigasi Inersia MEMS? — Inti Miniatur Navigasi Luar Angkasa

Sistem Navigasi Inersia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) adalah perangkat navigasi presisi tinggi yang dibuat berdasarkan teknologi mikro-elektro-mekanis. Ini terutama terdiri dari giroskop MEMS (untuk mengukur kecepatan sudut), akselerometer MEMS (untuk mengukur percepatan) dan unit pemrosesan data. Tanpa mengandalkan referensi eksternal seperti sinyal satelit atau stasiun pangkalan darat, ia dapat secara independen menghitung informasi posisi, kecepatan, dan sikap dengan merasakan keadaan gerakannya sendiri. Fitur "navigasi otonom" ini menjadikannya pilihan ideal untuk lingkungan ekstrem luar angkasa.

​

Dibandingkan dengan sistem navigasi inersia kelas kedirgantaraan tradisional, navigasi inersia MEMS menawarkan tiga keunggulan utama:miniaturisasi, desain ringan, dan biaya rendah. Komponen intinya dapat dikurangi hingga skala milimeter, dengan berat mulai dari beberapa gram hingga puluhan gram dan konsumsi daya serendah tingkat miliwatt. Selain itu, ia dapat diproduksi secara massal, yang sangat memenuhi kebutuhan inti pesawat ruang angkasa untuk "pengurangan berat dan peningkatan efisiensi". Sementara itu, setelah perawatan penguatan khusus seperti ketahanan radiasi dan ketahanan suhu tinggi-rendah, navigasi inersia MEMS dapat menahan kondisi luar angkasa ekstrem termasuk vakum, radiasi kuat, dan variasi suhu drastis (-200℃~+120℃), dengan stabilitas dan keandalannya mencapai standar kelas kedirgantaraan.

2. Asisten Serba Guna untuk Eksplorasi Luar Angkasa — Skenario Aplikasi Inti Navigasi Inersia MEMS

2.1 "Pengontrol Sikap" untuk Satelit dan Pesawat Ruang Angkasa

Satelit perlu secara akurat mempertahankan sikapnya selama operasi orbital (misalnya, menyelaraskan panel surya dengan matahari dan antena komunikasi dengan Bumi), sebuah tugas yang terutama dilakukan oleh sistem navigasi inersia MEMS. Dengan mengukur kecepatan sudut dan perubahan sikap satelit secara real-time, ia memberikan dukungan data untuk sistem kontrol sikap, menggerakkan aktuator seperti pendorong dan roda reaksi untuk menyesuaikan sikap secara tepat waktu dan memastikan operasi satelit yang stabil.

Misalnya, dalam konstelasi satelit komunikasi orbit rendah Bumi (seperti Starlink), setiap satelit perlu dengan cepat menyelesaikan peralihan orbital dan kalibrasi sikap. Navigasi inersia MEMS telah menjadi komponen navigasi inti untuk penyebaran konstelasi secara berkelompok karena keunggulannya yaitu "respons cepat dan ukuran kecil". Untuk penyelidikan luar angkasa dalam (seperti penjelajah Mars dan detektor asteroid), navigasi real-time yang bergantung pada sinyal telemetri darat tidak mungkin dilakukan di luar angkasa yang jauh dari Bumi. Navigasi inersia MEMS, dikombinasikan dengan pelacak bintang dan jam atom, membentuk sistem navigasi otonom untuk memastikan penyelidikan terbang secara akurat ke badan langit target.

2.2 "Penjaga Keamanan" untuk Penerbangan Luar Angkasa Berawak

Dalam pesawat ruang angkasa berawak seperti kapal luar angkasa berawak dan stasiun luar angkasa, navigasi inersia MEMS melakukan misi kritis "tingkat pendukung kehidupan". Tidak hanya dapat memantau sikap, kecepatan, dan posisi pesawat ruang angkasa secara real-time, memberikan data yang akurat untuk penyesuaian orbital dan pertemuan dan docking, tetapi juga dapat dengan cepat memicu program kontrol sikap darurat jika terjadi keadaan darurat (seperti kegagalan docking antara kapal luar angkasa dan stasiun luar angkasa, atau sikap abnormal dari kapsul kembali selama masuk kembali ke atmosfer), sehingga memastikan keselamatan astronot.

Mengambil contoh kapal luar angkasa Shenzhou, ketika kapsul kembali masuk kembali ke atmosfer, ia akan mengalami pemanasan aerodinamis yang hebat dan gangguan sikap. Navigasi inersia MEMS, bekerja dalam koordinasi dengan navigasi inframerah dan sistem kontrol parasut, secara akurat menghitung posisi dan sikap kapsul kembali untuk memastikan ia mendarat dengan aman di lokasi pendaratan yang telah ditentukan. Selain itu, modul navigasi inersia MEMS miniatur diintegrasikan ke dalam pakaian luar angkasa ekstravehicular astronot, yang memantau secara real-time sikap gerakan astronot dan memberikan referensi navigasi untuk aktivitas ekstravehicular.

2.3 "Navigator Presisi" untuk Robot Luar Angkasa dan Layanan On-Orbit

Dengan pengembangan teknologi layanan on-orbit luar angkasa (seperti pemeliharaan satelit, penghapusan puing-puing luar angkasa, dan perakitan on-orbit), robot luar angkasa (lengan robot dan robot bergerak otonom) telah menjadi peralatan inti, dan navigasi inersia MEMS adalah kunci untuk "operasi presisi" mereka. Ia dapat merasakan gerakan sendi dan penyimpangan posisi robot secara real-time, memastikan lengan robot secara akurat meraih satelit, menyelesaikan penggantian peralatan, atau memungkinkan robot bergerak untuk bergerak di sepanjang jalur yang telah ditentukan di luar kabin stasiun luar angkasa.

Misalnya, ketika lengan robot dari Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) memindahkan astronot dan mengangkut kargo, data sikap presisi tinggi yang disediakan oleh navigasi inersia MEMS dapat mengontrol kesalahan operasi dalam tingkat sentimeter. Di masa depan, ketika "tunda luar angkasa" membersihkan puing-puing luar angkasa, mereka perlu melakukan docking secara akurat dengan puing-puing tersebut, dan kemampuan navigasi otonom dari navigasi inersia MEMS dapat memastikan proses docking yang stabil dan andal.

2.4 "Navigator Otonom" untuk Eksplorasi Luar Angkasa Dalam

Dalam misi eksplorasi luar angkasa dalam seperti eksplorasi bulan dan Mars, sinyal telemetri darat memiliki penundaan beberapa menit atau bahkan puluhan menit, sehingga kontrol real-time dari penyelidikan tidak mungkin dilakukan. Fitur "navigasi otonom" dari navigasi inersia MEMS sangat penting. Terintegrasi dengan navigasi optik, navigasi radar, dan teknologi lainnya, ia membentuk sistem navigasi fusi multi-sumber, memungkinkan penyelidikan untuk secara independen merencanakan jalur, menghindari rintangan, dan mencapai pendaratan yang tepat.

Misalnya, ketika penyelidikan bulan Chang'e-5 melakukan pengambilan sampel permukaan bulan, navigasi inersia MEMS secara real-time memantau sikap dan posisi penyelidikan, memastikan lengan robot pengambilan sampel secara akurat memposisikan area target. Ketika penjelajah Mars melakukan perjalanan di permukaan Mars, navigasi inersia MEMS, dikombinasikan dengan data kamera medan, secara independen menyesuaikan arah dan kecepatan perjalanan untuk menghindari terjebak di gundukan pasir atau bertabrakan dengan bebatuan.

3. Terobosan Teknologi dan Tinjauan Masa Depan — Dari "Dapat Digunakan" menjadi "Sangat Efisien"

Penerapan navigasi inersia MEMS di bidang luar angkasa tidak dapat dipisahkan dari dua terobosan teknologi inti. Pertama adalahpeningkatan presisi. Dengan mengadopsi bahan baru (seperti mikrostruktur berbasis silikon dan kristal kuarsa) dan algoritma pemrosesan sinyal (seperti penyaringan Kalman dan kompensasi jaringan saraf), stabilitas bias giroskop MEMS telah mencapai tingkat 0,01°/jam, yang mendekati sistem navigasi inersia serat optik tradisional. Kedua adalahpenguatan untuk lingkungan ekstrem. Melalui teknologi pengemasan yang dioptimalkan dan desain pelindung radiasi, navigasi inersia MEMS dapat beroperasi secara stabil untuk waktu yang lama di lingkungan radiasi luar angkasa yang keras, dengan masa pakai lebih dari 10 tahun.

Di masa depan, penerapan navigasi inersia MEMS di bidang luar angkasa akan berkembang dalam tiga arah. Pertama adalahminiaturisasi dan integrasi, mengintegrasikan fungsi seperti navigasi, komunikasi, dan pasokan energi ke dalam satu chip untuk membuat "pesawat ruang angkasa on-chip". Kedua adalahnavigasi fusi multi-sumber, mencapai integrasi mendalam dengan pelacak bintang, jam atom, navigasi kuantum, dan teknologi lainnya untuk lebih meningkatkan akurasi dan keandalan navigasi. Ketiga adalahekspansi luar angkasa dalam, diterapkan pada misi luar angkasa yang lebih jauh seperti eksplorasi asteroid dan navigasi antarbintang, dan menjadi "otak navigasi portabel" bagi manusia untuk menjelajahi alam semesta.

4. Kesimpulan

Dari kontrol sikap satelit hingga jaminan keselamatan penerbangan luar angkasa berawak, dari navigasi otonom eksplorasi luar angkasa dalam hingga operasi presisi robot luar angkasa, navigasi inersia MEMS membentuk kembali mode navigasi eksplorasi luar angkasa dengan karakteristiknya yaitu "miniaturisasi, otonomi, dan keandalan tinggi". Dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, "otak navigasi miniatur" ini akan memberikan dukungan navigasi yang solid bagi manusia untuk menjelajahi hal-hal yang tidak diketahui dalam perjalanan kosmik yang lebih jauh, membantu eksplorasi luar angkasa memasuki era baru dengan efisiensi yang lebih tinggi, biaya yang lebih rendah, dan keamanan yang lebih besar.

​