2025-12-15
Hệ thống điều hướng quán tính MEMS (Hệ thống vi cơ điện tử) là một thiết bị điều hướng có độ chính xác cao được sản xuất dựa trên công nghệ vi cơ điện tử. Nó chủ yếu bao gồm con quay hồi chuyển MEMS (để đo vận tốc góc), gia tốc kế MEMS (để đo gia tốc) và các đơn vị xử lý dữ liệu. Không cần dựa vào các tham chiếu bên ngoài như tín hiệu vệ tinh hoặc trạm mặt đất, nó có thể tự tính toán vị trí, vận tốc và thông tin về tư thế bằng cách cảm nhận trạng thái chuyển động của chính nó. Tính năng "tự điều hướng" này khiến nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho môi trường khắc nghiệt của không gian.
So với các hệ thống điều hướng quán tính cấp hàng không vũ trụ truyền thống, điều hướng quán tính MEMS tự hào có ba ưu điểm cốt lõi: thu nhỏ, thiết kế nhẹ và chi phí thấp. Các thành phần cốt lõi của nó có thể được thu nhỏ đến cấp độ milimet, với trọng lượng từ vài gam đến hàng chục gam và mức tiêu thụ điện năng thấp tới mức miliwatt. Hơn nữa, nó có thể được sản xuất hàng loạt, đáp ứng hoàn hảo nhu cầu cốt lõi của tàu vũ trụ về "giảm trọng lượng và cải thiện hiệu quả". Trong khi đó, sau các phương pháp xử lý gia cố đặc biệt như khả năng chống bức xạ và khả năng chịu nhiệt độ cao-thấp, điều hướng quán tính MEMS có thể chịu được các điều kiện không gian khắc nghiệt bao gồm chân không, bức xạ mạnh và biến đổi nhiệt độ mạnh (-200℃~+120℃), với độ ổn định và độ tin cậy đạt tiêu chuẩn cấp hàng không vũ trụ.
Vệ tinh cần duy trì chính xác tư thế của chúng trong quá trình hoạt động trên quỹ đạo (ví dụ: căn chỉnh các tấm pin mặt trời với mặt trời và ăng-ten liên lạc với Trái đất), một nhiệm vụ chủ yếu được hoàn thành bởi các hệ thống điều hướng quán tính MEMS. Bằng cách đo thời gian thực vận tốc góc và thay đổi tư thế của vệ tinh, nó cung cấp hỗ trợ dữ liệu cho hệ thống điều khiển tư thế, điều khiển các bộ truyền động như bộ đẩy và bánh đà để điều chỉnh tư thế một cách kịp thời và đảm bảo hoạt động ổn định của vệ tinh.
Ví dụ, trong các chòm sao vệ tinh liên lạc quỹ đạo Trái đất thấp (chẳng hạn như Starlink), mỗi vệ tinh cần hoàn thành nhanh chóng việc chuyển đổi quỹ đạo và hiệu chỉnh tư thế. Điều hướng quán tính MEMS đã trở thành thành phần điều hướng cốt lõi để triển khai hàng loạt các chòm sao do những ưu điểm của nó là "phản ứng nhanh và kích thước nhỏ". Đối với các tàu thăm dò không gian sâu (chẳng hạn như xe tự hành trên sao Hỏa và máy dò tiểu hành tinh), việc điều hướng theo thời gian thực dựa vào tín hiệu đo từ xa trên mặt đất là không thể trong không gian sâu cách xa Trái đất. Điều hướng quán tính MEMS, kết hợp với máy theo dõi sao và đồng hồ nguyên tử, tạo thành một hệ thống điều hướng tự động để đảm bảo tàu thăm dò bay chính xác đến thiên thể mục tiêu.
Trong các tàu vũ trụ có người lái như tàu vũ trụ có người lái và trạm vũ trụ, điều hướng quán tính MEMS đảm nhận một nhiệm vụ quan trọng "cấp hỗ trợ sự sống". Nó không chỉ có thể theo dõi thời gian thực tư thế, vận tốc và vị trí của tàu vũ trụ, cung cấp dữ liệu chính xác để điều chỉnh quỹ đạo và gặp gỡ và ghép nối, mà còn có thể nhanh chóng kích hoạt chương trình điều khiển tư thế khẩn cấp trong trường hợp khẩn cấp (chẳng hạn như lỗi ghép nối giữa tàu vũ trụ và trạm vũ trụ, hoặc tư thế bất thường của viên nang trở lại trong quá trình tái nhập khí quyển), do đó đảm bảo an toàn cho các phi hành gia.
Lấy tàu vũ trụ Thần Châu làm ví dụ, khi viên nang trở lại tái nhập khí quyển, nó sẽ trải qua sự nóng lên khí động học dữ dội và sự nhiễu loạn tư thế. Điều hướng quán tính MEMS, phối hợp với hệ thống điều hướng hồng ngoại và hệ thống điều khiển dù, tính toán chính xác vị trí và tư thế của viên nang trở lại để đảm bảo nó hạ cánh an toàn tại địa điểm hạ cánh đã định trước. Ngoài ra, một mô-đun điều hướng quán tính MEMS thu nhỏ được tích hợp vào bộ đồ vũ trụ ngoài tàu của các phi hành gia, theo dõi thời gian thực tư thế chuyển động của các phi hành gia và cung cấp tham chiếu điều hướng cho các hoạt động ngoài tàu.
Với sự phát triển của các công nghệ dịch vụ trên quỹ đạo không gian (chẳng hạn như bảo trì vệ tinh, loại bỏ mảnh vỡ không gian và lắp ráp trên quỹ đạo), robot không gian (cánh tay robot và robot di động tự động) đã trở thành thiết bị cốt lõi và điều hướng quán tính MEMS là chìa khóa cho "hoạt động chính xác" của chúng. Nó có thể cảm nhận thời gian thực chuyển động khớp và độ lệch vị trí của robot, đảm bảo cánh tay robot nắm bắt chính xác vệ tinh, hoàn thành việc thay thế thiết bị hoặc cho phép robot di động di chuyển dọc theo đường dẫn đã định trước bên ngoài cabin trạm vũ trụ.
Ví dụ, khi cánh tay robot của Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) chuyển các phi hành gia và vận chuyển hàng hóa, dữ liệu tư thế có độ chính xác cao do điều hướng quán tính MEMS cung cấp có thể kiểm soát lỗi hoạt động trong phạm vi cấp độ centimet. Trong tương lai, khi "tàu kéo không gian" dọn dẹp các mảnh vỡ không gian, chúng cần ghép nối chính xác với các mảnh vỡ và khả năng điều hướng tự động của điều hướng quán tính MEMS có thể đảm bảo một quá trình ghép nối ổn định và đáng tin cậy.
Trong các nhiệm vụ khám phá không gian sâu như khám phá Mặt trăng và Sao Hỏa, tín hiệu đo từ xa trên mặt đất có độ trễ vài phút hoặc thậm chí hàng chục phút, khiến việc kiểm soát tàu thăm dò theo thời gian thực là không thể. Do đó, tính năng "tự điều hướng" của điều hướng quán tính MEMS đặc biệt quan trọng. Được tích hợp với điều hướng quang học, điều hướng radar và các công nghệ khác, nó tạo thành một hệ thống điều hướng kết hợp đa nguồn, cho phép tàu thăm dò tự lên kế hoạch đường đi, tránh chướng ngại vật và đạt được hạ cánh chính xác.
Ví dụ, khi tàu thăm dò Mặt trăng Hằng Nga-5 tiến hành lấy mẫu bề mặt Mặt trăng, điều hướng quán tính MEMS theo thời gian thực đã theo dõi tư thế và vị trí của tàu thăm dò, đảm bảo cánh tay robot lấy mẫu định vị chính xác khu vực mục tiêu. Khi xe tự hành trên sao Hỏa di chuyển trên bề mặt sao Hỏa, điều hướng quán tính MEMS, kết hợp với dữ liệu camera địa hình, tự điều chỉnh hướng di chuyển và tốc độ để tránh bị mắc kẹt trong các cồn cát hoặc va chạm với đá.
Việc ứng dụng điều hướng quán tính MEMS trong lĩnh vực không gian không thể tách rời khỏi hai đột phá công nghệ cốt lõi. Đầu tiên là cải thiện độ chính xác. Bằng cách áp dụng các vật liệu mới (chẳng hạn như cấu trúc vi mô dựa trên silicon và tinh thể thạch anh) và các thuật toán xử lý tín hiệu (chẳng hạn như lọc Kalman và bù mạng nơ-ron), độ ổn định thiên vị của con quay hồi chuyển MEMS đã đạt đến mức 0,01°/h, gần bằng với các hệ thống điều hướng quán tính sợi quang truyền thống. Thứ hai là gia cố cho môi trường khắc nghiệt. Thông qua công nghệ đóng gói được tối ưu hóa và thiết kế che chắn bức xạ, điều hướng quán tính MEMS có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài trong môi trường bức xạ không gian khắc nghiệt, với tuổi thọ hơn 10 năm.
Trong tương lai, việc ứng dụng điều hướng quán tính MEMS trong lĩnh vực không gian sẽ phát triển theo ba hướng. Đầu tiên là thu nhỏ và tích hợp, tích hợp các chức năng như điều hướng, liên lạc và cung cấp năng lượng vào một chip duy nhất để tạo ra "tàu vũ trụ trên chip". Thứ hai là điều hướng kết hợp đa nguồn, đạt được sự tích hợp sâu với máy theo dõi sao, đồng hồ nguyên tử, điều hướng lượng tử và các công nghệ khác để cải thiện hơn nữa độ chính xác và độ tin cậy của điều hướng. Thứ ba là mở rộng không gian sâu, được áp dụng cho các nhiệm vụ không gian xa hơn như khám phá tiểu hành tinh và điều hướng liên sao, và trở thành "bộ não điều hướng di động" để con người khám phá vũ trụ.
Từ việc điều khiển tư thế vệ tinh đến đảm bảo an toàn cho chuyến bay vũ trụ có người lái, từ điều hướng tự động khám phá không gian sâu đến hoạt động chính xác của robot không gian, điều hướng quán tính MEMS đang định hình lại chế độ điều hướng của khám phá không gian với các đặc điểm của nó là "thu nhỏ, tự động và độ tin cậy cao". Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ, "bộ não điều hướng thu nhỏ" này sẽ cung cấp sự hỗ trợ điều hướng vững chắc cho con người để khám phá những điều chưa biết trong những hành trình vũ trụ xa hơn, giúp khám phá không gian bước vào một kỷ nguyên mới với hiệu quả cao hơn, chi phí thấp hơn và an toàn hơn.
Gửi yêu cầu của bạn trực tiếp cho chúng tôi
