اختيار المزودة بجيروسكوب ليفي بصري للمهام الفضائية اهتمامًا خاصًا بالدقة والمتانة والقدرة على التكيف مع بيئة الفضاء القاسية. تُعدّ وحدات قياس القصور الذاتي في الفضاء أساسيةً للملاحة والتوجيه والاستقرار في تطبيقات تتراوح من الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض إلى مجسات الفضاء السحيق. ومن واقع خبرتي، تعتمد مواصفات وحدة قياس القصور الذاتي المناسبة على متطلبات المهمة، لا سيما فيما يتعلق بالدقة، ومقاومة الصدمات ودرجات الحرارة، ومقاومة الإشعاع.
تتطلب وحدات قياس القصور الذاتي FOG من الدرجة الفضائية انحرافًا منخفضًا للغاية (عادةً أقل من 0.01 درجة / ساعة)، ودقة استثنائية مع المشي العشوائي الزاوي (ARW) أقل من 0.01 درجة / √ساعة، وتحمل الصدمات حتى 10000 جرام، ونطاقات درجة حرارة التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية، مع مزيد من التخصيصات لتلبية الاحتياجات المحددة.
في هذه المقالة، سنتعمق في المعايير والتطبيقات ومعايير الاختيار لوحدات القياس بالقصور الذاتي FOG في الفضاء.
جدول المحتويات
لماذا تعتبر وحدات قياس القصور الذاتي باستخدام الجيروسكوب الليفي البصري ضرورية لتطبيقات الفضاء؟
وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) المزودة بجيروسكوب ألياف بصرية مثاليةً للاستخدام في الفضاء، لما توفره من استقرار ومتانة، بالإضافة إلى أدنى حد من الانحراف على مدى فترات طويلة دون الحاجة إلى إعادة معايرة. وتعتمد تقنيتها غير الميكانيكية، القائمة على الضوء، على التداخل داخل الألياف البصرية لقياس الحركة الزاوية بدقة عالية، مما يجعلها قوية ومستقرة للمهام طويلة الأمد. إليكم سبب أهميتها البالغة:
- انحراف انحياز منخفض للغاية ودقة عالية : تتميز وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) من نوع FOG المستخدمة في الفضاء بانحراف انحياز منخفض للغاية، عادةً ما يقل عن 0.01 درجة/ساعة، وهو أمر ضروري للحفاظ على دقة تحديد المواقع بمرور الوقت. وتتعزز دقتها بانخفاض الانحراف النسبي للحركة (ARW)، الذي غالبًا ما يقل عن 0.01 درجة/√ساعة، مما يضمن رصد التغيرات الطفيفة بدقة. هذه الخصائص تجعلها مناسبة للمهام التي تتطلب دقة ثابتة، مثل محاذاة الأقمار الصناعية.
- مقاومة الإشعاع : في الفضاء، يمكن للإشعاع أن يُتلف الإلكترونيات. توفر مقاومة الإشعاع حتى 100 كيلوراد حماية لوحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) من تدهور الأداء الناتج عن الأشعة الكونية والإشعاع الشمسي.
مقاومة الحرارة والصدمات : تحتاج وحدات القياس بالقصور الذاتي FOG في الفضاء إلى العمل عبر نطاقات واسعة من درجات الحرارة (-40 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية) وتحمل الصدمات الحرارية القصيرة وعالية الكثافة التي تصل إلى 10000 جرام، وهي ضرورية للإطلاق والتجهيز.
المعايير الرئيسية لوحدات القياس بالقصور الذاتي FOG المناسبة للفضاء
يوضح الجدول أدناه المعايير الصناعية العامة لوحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) المصنوعة من ألياف بصرية (FOG) والمخصصة للاستخدام في الفضاء، ويشمل ذلك مقاومة الحرارة، وتحمل الصدمات، ومقاومة الإشعاع. ويمكن تعديل هذه المعايير لتتوافق مع متطلبات المهمة المحددة.
| ميزة | متطلبات | توضيح |
|---|---|---|
| المقاومة الحرارية | نطاق التشغيل: من -40 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية، مع خيارات مخصصة تصل إلى -55 درجة مئوية | من الضروري تحمل التغيرات السريعة في درجات الحرارة من ضوء الشمس إلى الظل في المدار. |
| درجة حرارة التخزين | من -55 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية | يضمن متانة المكونات أثناء النقل والتخزين. |
| مقاومة الصدمات | 10000 غرام لأحداث الصدمات النارية القصيرة؛ ~30 غرام للصدمات العادية | يحمي من قوى الإطلاق وانفصال المراحل المتفجرة. |
| مقاومة الاهتزاز | 6.06 غرام RMS عبر نطاق تردد 20-2000 هرتز | يحافظ على المحاذاة أثناء اهتزاز الإطلاق. |
| التحصين ضد الإشعاع | تصل الجرعة الإشعاعية الكلية إلى 100 كيلوراد | يمنع تدهور الأداء الناتج عن التعرض المطول للإشعاع. |
تُعدّ هذه المعايير بمثابة خط أساسي، ولكن قد تتطلب تعديلات حسب متطلبات المهمة. فعلى سبيل المثال، قد يكون للقمر الصناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض متطلبات إشعاعية وحرارية مختلفة عن تلك الخاصة بمركبة استكشاف الكواكب.
التطبيقات الرئيسية لوحدات القياس بالقصور الذاتي FOG في الفضاء
تُعد وحدات قياس القصور الذاتي FOG جزءًا لا يتجزأ من مجموعة متنوعة من التطبيقات، ولكل منها متطلبات أداء فريدة:
| طلب | دور وحدة قياس القصور الذاتي FOG |
|---|---|
| التحكم في اتجاه الأقمار الصناعية | يحافظ على استقرار الأقمار الصناعية وتوجيهها، وهو أمر ضروري للاتصالات والتصوير. |
| الملاحة بين الكواكب | يدعم التعديلات الدقيقة على المسار اللازمة أثناء مهمات الفضاء بعيدة المدى. |
| مركبات استكشاف الكواكب | يُمكّن من الملاحة الدقيقة على الأسطح الكوكبية الوعرة. |
| توجيه مركبة الإطلاق | يوفر الاستقرار أثناء الصعود، مما يضمن سلامة الحمولة حتى دخولها المدار. |
لكل تطبيق من هذه التطبيقات احتياجات محددة، مما يستلزم في كثير من الأحيان مواصفات مخصصة لوحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU). على سبيل المثال، قد يُعطي قمر صناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض الأولوية لاستقرار الانحياز على المدى الطويل على حساب مقاومة الصدمات العالية، بينما قد تتطلب مركبة جوالة كوكبية حماية حرارية إضافية.
كيفية اختيار وحدة قياس القصور الذاتي FOG المناسبة لمهام الفضاء؟
ينبغي مراعاة عدة معايير أساسية عند اختيار وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) المزودة بتقنية FOG للتطبيقات الفضائية. فيما يلي تفصيل لأهم هذه العوامل:
- الدقة وثبات الانحياز:
في التطبيقات الفضائية، يجب أن تتميز وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) بانحراف انحياز منخفض للغاية (عادةً أقل من 0.01 درجة/ساعة) ودقة عالية مع قيم ARW أقل من 0.01 درجة/√ساعة. وهذا يضمن بقاء بيانات التوجيه دقيقة، حتى في المهمات الطويلة. - مقاومة الصدمات والاهتزازات:
يتميز جهاز القياس بالقصور الذاتي (IMU) بمقاومة للصدمات الحرارية تصل إلى 10000 غرام، ومقاومة للاهتزازات تصل إلى 6.06 غرام RMS (20-2000 هرتز)، مما يجعله مثاليًا للتعامل مع القوى التي يتعرض لها أثناء الإطلاق والدخول في المدار. كما تضمن مقاومة الاهتزازات المنتظمة قدرة الجهاز على العمل بكفاءة تحت الضغوط المستمرة دون أي مشاكل في المحاذاة. - نطاق درجة الحرارة ومقاومة الإشعاع:
تحتاج وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) إلى العمل ضمن نطاقات حرارية واسعة، تتراوح عادةً من -40 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية، وتحمل مستويات إشعاع تصل إلى 100 كيلوراد. تتوفر تكوينات مخصصة لملفات تعريف المهام الفريدة، سواء كانت وحدة القياس بالقصور الذاتي في مدار أرضي منخفض أو في الفضاء السحيق. - كفاءة الطاقة:
طاقة المركبات الفضائية محدودة، لذا فإن اختيار وحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU) ذات كفاءة عالية (حوالي 4 واط) يُحسّن توزيع الطاقة. كما تُساعد التصاميم المدمجة على تلبية قيود المساحة والوزن، خاصةً في الحمولات الصغيرة.
وحدات قياس القصور الذاتي (IMUs) الموصى بها من GuideNav FOG لتطبيقات الفضاء
توفر وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) الفضائية من GuideNav دقة عالية، وانحرافًا منخفضًا، ومتانة فائقة. يتضمن كل طراز من الطرازات المذكورة أدناه ميزات قابلة للتخصيص لتتوافق مع احتياجات المهمة المحددة:
| نموذج | استقرار الانحياز | النطاق الديناميكي | المشي العشوائي الزاوي (ARW) | نطاق درجة حرارة التشغيل | مقاومة الصدمات | تحمل الإشعاع |
|---|---|---|---|---|---|---|
| GTF40 | 0.1 درجة مئوية/ساعة | ±500 درجة/ثانية (قابلة للتخصيص) | 0.01 درجة/√س (قابل للتخصيص) | من -45 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية (قابلة للتخصيص) | 10000 غرام لـ pyroshock (قابل للتخصيص) | 100 كيلوراد TID (قابلة للتخصيص) |
| GTF70A | 0.015 درجة/ساعة | ±500 درجة/ثانية (قابلة للتخصيص) | 0.003 درجة/√س (قابل للتخصيص) | من -45 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية (قابلة للتخصيص) | 10000 غرام لـ pyroshock (قابل للتخصيص) | 100 كيلوراد TID (قابلة للتخصيص) |
| GTF120C | 0.001 درجة/ساعة | ±500 درجة/ثانية (قابلة للتخصيص) | 0.0002 درجة/√س (قابل للتخصيص) | من -45 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية (قابلة للتخصيص) | 10000 غرام لـ pyroshock (قابل للتخصيص) | 100 كيلوراد TID (قابلة للتخصيص) |
صُممت وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) من شركة GuideNav، المزودة بتقنية FOG، لتطبيقات فضائية متنوعة، بدءًا من مدارات الأرض وصولًا إلى استكشاف الكواكب. يتوفر كل طراز بخيارات مُخصصة لضمان الأداء الأمثل في بيئات فضائية مختلفة.
اعتبارات إضافية لاختيار وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) المستخدمة في الفضاء
بالإضافة إلى المواصفات القياسية، ينبغي على مخططي المهام مراعاة ما يلي:
- دورة الحياة والصيانة : يجب أن توفر وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) الفضائية، التي يصعب الوصول إليها بعد الإطلاق، عمرًا تشغيليًا طويلًا وموثوقية عالية.
- التكرار : تتطلب بعض المهام وحدات قياس القصور الذاتي المتكررة لضمان التشغيل دون انقطاع، مما يعزز كلاً من الموثوقية والدقة.
- توافق واجهات البيانات : غالبًا ما تحتاج المركبات الفضائية إلى واجهات بيانات محددة لضمان التكامل السلس. تتوفر خيارات قابلة للتكوين مثل واجهات RS-422 و MIL-STD.
