Navegação inercial MEMS: o "cérebro de navegação em miniatura" para a exploração espacial

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1O que é a Navegação Inercial MEMS? O Núcleo em Miniatura da Navegação Espacial

O sistema de navegação inercial MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) é um dispositivo de navegação de alta precisão fabricado com base na tecnologia micro-electro-mecânica.É composto principalmente de giroscópios MEMS (para medir a velocidade angular), acelerômetros MEMS (para medição de aceleração) e unidades de processamento de dados.pode calcular a posição de forma independenteEsta característica de "navegação autónoma" torna-o uma escolha ideal para o ambiente extremo do espaço.

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Em comparação com os sistemas tradicionais de navegação inercial de nível aeroespacial, a navegação inercial MEMS possui três vantagens principais:Miniaturização, design leve e baixo custoOs seus componentes principais podem ser reduzidos à escala milimétrica, com um peso que varia de vários gramas a dezenas de gramas e um consumo de energia tão baixo como o nível de miliwatts.perfeitamente satisfazendo a demanda principal das naves espaciais para "redução de peso e melhoria da eficiência"Enquanto isso, após tratamentos especiais de reforço, tais como resistência à radiação e resistência a altas e baixas temperaturas, a navegação inercial MEMS pode suportar condições espaciais extremas, incluindo vácuo,radiação forte e variações drásticas de temperatura (-200°C~+120°C), com a sua estabilidade e fiabilidade a atingir os padrões aeroespaciais.

2. O Assistente Integral para a Exploração Espacial Core Scenários de Aplicação da Navegação Inercial MEMS

2.1 O "controlador de atitude" para satélites e naves espaciais.

Os satélites precisam manter com precisão a sua posição durante a operação orbital (por exemplo, alinhamento dos painéis solares com o sol e antenas de comunicação com a Terra),Uma tarefa realizada principalmente por sistemas de navegação inercial MEMSMedição em tempo real da velocidade angular e mudanças de posição dos satélites, fornece suporte de dados para o sistema de controle de posição,acionadores de condução, tais como propulsores e rodas de reação, para ajustar a posição em tempo útil e assegurar a operação estável dos satélites.

Por exemplo, em constelações de satélites de comunicação em órbita baixa da Terra (como o Starlink), cada satélite precisa concluir rapidamente a comutação orbital e a calibração de atitude.A navegação inercial MEMS tornou-se o principal componente de navegação para a implantação de lotes de constelações devido às suas vantagens de "resposta rápida e pequeno tamanho"Para sondas do espaço profundo (como rovers de Marte e detectores de asteroides), a navegação em tempo real baseada em sinais de telemetria terrestre é impossível no espaço profundo longe da Terra.Navegação inercial MEMS, combinado com rastreadores estelares e relógios atômicos, forma um sistema de navegação autônomo para garantir que a sonda voe com precisão para o corpo celeste alvo.

2.2 O "Guardião da Segurança" para voos espaciais tripulados

Em naves espaciais tripuladas, como naves espaciais tripuladas e estações espaciais, a navegação inercial MEMS realiza uma missão crítica de "nível de suporte de vida".velocidade e posição da nave espacial, fornecendo dados precisos para o ajuste orbital, o encontro e a atracação,mas também pode rapidamente acionar o programa de controle de atitude de emergência em caso de emergências (como falha de acoplagem entre a nave espacial e a estação espacial, ou posição anormal da cápsula de retorno durante a reentrada na atmosfera), garantindo assim a segurança dos astronautas.

Tomando a nave espacial Shenzhou como exemplo, quando a cápsula de retorno voltar a entrar na atmosfera, ela experimentará intenso aquecimento aerodinâmico e perturbações de posição.Trabalhando em coordenação com os sistemas de navegação infravermelha e de controlo de pára-quedas, calcula com precisão a posição e a posição da cápsula de retorno para garantir que pouse em segurança no local de pouso predeterminado.um módulo de navegação inercial MEMS em miniatura é integrado nos trajes espaciais extravehiculares dos astronautas, que monitora em tempo real a atitude de movimento dos astronautas e fornece referência de navegação para atividades extravehiculares.

2.3 O "navegador de precisão" para robôs espaciais e serviços em órbita.

Com o desenvolvimento das tecnologias de serviços espaciais em órbita (como a manutenção de satélites, a remoção de detritos espaciais e a montagem em órbita),Os robôs espaciais (braços robóticos e robôs móveis autônomos) tornaram-se equipamentos essenciais, e a navegação inercial MEMS é a chave para a sua "operação de precisão".Garante que o braço robótico capte com precisão os satélites, completa a substituição do equipamento ou permite que o robô móvel se mova ao longo do caminho predeterminado fora da cabine da estação espacial.

Por exemplo, quando o braço robótico da Estação Espacial Internacional (ISS) transfere astronautas e transporta carga,Os dados de posição de alta precisão fornecidos pela navegação inercial MEMS podem controlar o erro de operação dentro do nível de centímetrosNo futuro, quando os rebocadores espaciais limparem detritos espaciais, eles precisam acoplar-se com precisão aos detritos.e a capacidade de navegação autônoma da navegação inercial MEMS pode garantir um processo de acoplagem estável e confiável.

2.4 O "navegador autónomo" para a exploração do espaço profundo.

Em missões de exploração do espaço profundo, como a exploração lunar e de Marte, os sinais de telemetria terrestres têm um atraso de vários minutos ou até dezenas de minutos.tornando impossível o controlo em tempo real da sonda.O recurso de "navegação autónoma" da navegação inercial MEMS é, portanto, particularmente importante.Forma um sistema de navegação de fusão multi-fonte, permitindo que a sonda planeie de forma independente as suas trajectórias, evite obstáculos e alcance um pouso preciso.

Por exemplo, quando a sonda lunar Chang'e-5 realizou amostragem da superfície lunar, a navegação inercial MEMS em tempo real monitorou a atitude e a posição da sonda,garantir que o braço robótico de amostragem posicione com precisão a área alvoQuando o Mars rover viaja na superfície marciana, a navegação por inércia MEMS, combinada com dados de câmaras de terreno,ajusta independentemente a direção e a velocidade de viagem para evitar ficar preso em dunas de areia ou colidir com rochas.

3. Descobertas tecnológicas e perspectivas de futuro ️ De "utilizável" para "altamente eficiente"

A aplicação da navegação inercial MEMS no campo espacial é inseparável de dois avanços tecnológicos fundamentais.Melhoria da precisão. Adotando novos materiais (como microstruturas à base de silício e cristais de quartzo) e algoritmos de processamento de sinais (como filtragem Kalman e compensação de rede neural),a estabilidade do desvio dos giroscópios MEMS atingiu o nível de 0O segundo é o sistema de navegação por inércia de fibra óptica.Reforço para ambientes extremosAtravés da tecnologia de embalagem otimizada e do projeto de blindagem de radiação, a navegação inercial MEMS pode operar de forma estável por um longo tempo no ambiente de radiação espacial áspero,de peso superior a 20 g/m2.

No futuro, a aplicação da navegação inercial MEMS no campo espacial irá desenvolver-se em três direcções.Miniaturização e integração, integrando funções como navegação, comunicação e abastecimento de energia num único chip para criar "naves espaciais em chip".Navegação de fusão multi-fonte, alcançando uma integração profunda com rastreadores estelares, relógios atómicos, navegação quântica e outras tecnologias para melhorar ainda mais a precisão e a fiabilidade da navegação.Expansão do espaço profundo, sendo aplicado a missões espaciais mais distantes, como a exploração de asteróides e a navegação interestelar, e se tornando o "cérebro de navegação portátil" para os seres humanos explorarem o universo.

4Conclusão

Do controlo de posição por satélite à garantia de segurança dos voos espaciais tripulados, da exploração do espaço profundo à navegação autónoma à operação de precisão dos robôs espaciais,A navegação inercial MEMS está a remodelar o modo de navegação da exploração espacial com as suas características de "miniaturização"Com o progresso contínuo da tecnologia, a tecnologia de ponta, a tecnologia de ponta, a tecnologia de ponta, a tecnologia de ponta, aEste "cérebro de navegação em miniatura" fornecerá um sólido suporte de navegação para os seres humanos explorarem o desconhecido em viagens cósmicas mais distantes, ajudando a exploração espacial a entrar numa nova era de maior eficiência, menor custo e maior segurança.

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