Im Jahr 2017 scheiterte ein US-amerikanischer Hyperschallraketentest im Wert von 32 Millionen US-Dollar, als die Trägheitsmesseinheit (IMU) beim Start unter einer Stoßbelastung von 18.000 g brach. Solche Vorfälle offenbaren eine gravierende Schwachstelle: Herkömmliche MEMS-IMUs sind nicht für Belastungen wie bei Artilleriegeschossen ausgelegt , wodurch das Risiko von missionskritischen Lenkungsausfällen besteht.
Solche Vorfälle verdeutlichen eine bittere Realität: Standardmäßige MEMS-IMUs sind nicht für die extremen Bedingungen im Artillerieeinsatz ausgelegt. Die Folgen – fehlgeleitete Munition, destabilisierte Plattformen und Missionsabbrüche – sind gravierend. Deshalb hat das Team von GuideNav mit der Entwicklung von besonders robusten MEMS-IMUs , die diesen extremen Bedingungen mit militärischer Zuverlässigkeit standhalten.
Die extrem robusten MEMS-IMUs sind so konstruiert, dass sie Stöße von über 10.000 g überstehen und dabei eine hohe Stabilität beibehalten. Dadurch eignen sie sich ideal für die präzise Lenkung von Raketen, Gleitbomben und Artilleriegeschossen. Diese Sensoren kombinieren fortschrittliche stoßdämpfende Materialien, KI-gestützte thermische Kompensation und dreifach redundante Beschleunigungsmesser-Arrays und übertreffen so herkömmliche MEMS-IMUs.
Lassen Sie uns die technischen Herausforderungen genauer betrachten, denen sich robuste Trägheitsmesseinheiten stellen, und untersuchen, wie diese Innovationen die Verteidigungssysteme revolutionieren.
Inhaltsverzeichnis
Herausforderungen in Umgebungen mit hohen G-Kräften: Das Dilemma der MEMS-IMU
Hochbeschleunigungsumgebungen stellen MEMS-IMUs vor erhebliche Herausforderungen. Die dabei auftretenden intensiven Kräfte können zu Strukturbrüchen in den Silizium-Mikrostrukturen und damit zu katastrophalen Ausfällen führen. Diese Ausfälle sind nicht nur theoretischer Natur; sie wurden in verschiedenen Studien dokumentiert, in denen kommerzielle MEMS-Sensoren unter Belastungen wie im Artillerieeinsatz versagten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptprobleme vielschichtig sind:
- Strukturelle Brüche: Plötzliche Beschleunigung erzeugt Spannungskonzentrationen, die MEMS-Komponenten zerstören.
- Gyro-Drift: Durch Schock verursachte systematische Fehler machen Navigationsdaten innerhalb von Sekunden unbrauchbar.
- Thermische Hysterese: Schnelle Temperaturänderungen führen zu einer Verzerrung der Sensorkalibrierung und beeinträchtigen dadurch die Genauigkeit zusätzlich.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, mussten wir das MEMS-Design von Grund auf neu überdenken und Materialien und Geometrien einbeziehen, die die Kräfte gleichmäßig verteilen und die Stabilität unter extremen Bedingungen gewährleisten.
Fortschritte in der MEMS-IMU-Technologie für hohe Beanspruchung
GuideNav hat sich im letzten Jahrzehnt auf die Entwicklung extrem robuster MEMS-IMUs konzentriert, die selbst härtesten Umgebungsbedingungen standhalten. Diese Entwicklung spiegelt die branchenweiten Fortschritte im Bereich der Hoch-G-Navigation wider. Im letzten Jahrzehnt wurden bedeutende Durchbrüche erzielt:
Wir begannen mit der Neugestaltung der Strukturgeometrie von MEMS, um symmetrische Silizium-„Inseln“ zu erzeugen, die Stoßkräfte gleichmäßig verteilen und so Spannungsspitzen vermeiden. Dieser Ansatz, inspiriert von erdbebensicherer Architektur, hat sich als wirksam erwiesen, um das Bruchrisiko um 83 % zu reduzieren.
Anschließend integrierten wir Phasenwechselmaterialien, um Wärmespitzen während des Transports im Lauf abzufangen. Dieses Wärmemanagementsystem gewährleistet, dass unsere IMUs auch unter extremen Bedingungen präzise und zuverlässig bleiben.
Schließlich entwickelten wir selbstheilende ASICs, die mithilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens stoßbedingte Fehler in Echtzeit vorhersagen und korrigieren. Diese Vorhersagemodelle, die anhand Tausender Schießsequenzen trainiert wurden, ermöglichen es unseren IMUs, ihre Präzision auch unter Belastungen beizubehalten, die herkömmliche Sensoren außer Gefecht setzen würden.
Diese Innovationen haben die Landschaft der Hoch-G-Navigation grundlegend verändert und ermöglichen eine präzise Steuerung in Umgebungen, in denen herkömmliche IMUs versagen würden.
Anwendungsbeispiele: Lenkmunition und Artillerie
Lenkraketen und Flugkörper
Robuste MEMS-IMUs sind für Lenkraketen und Flugkörper unerlässlich, da hier höchste Präzision gefordert ist. Diese Sensoren müssen den Erschütterungen beim Start standhalten und gleichzeitig kontinuierlich Navigationsdaten liefern. Beispielsweise werden in Lenkraketensystemen robuste IMUs eingesetzt, um eine Lagegenauigkeit von ≤ 0,3 mrad nach dem Start zu gewährleisten und so die Zielgenauigkeit deutlich zu verbessern.
Artillerieleitsysteme
In der Artillerie ermöglichen robuste IMUs präzise Zielführung selbst in GPS-freien Umgebungen. Durch die Kombination von IMU-Daten mit Algorithmen zur Geländekonturanpassung erreichen Systeme eine CEP-Genauigkeit von ≤ 5 m über große Entfernungen und verbessern so die Effektivität von Artillerieeinsätzen.
Hyperschallfahrzeuge
Für Hyperschallfahrzeuge, die mit Geschwindigkeiten von Mach 5 und mehr operieren, sind robuste IMUs unerlässlich, um die Navigationsstabilität trotz extremer Temperaturen und Vibrationen aufrechtzuerhalten. Diese Sensoren gewährleisten, dass die Fahrzeuge auch bei GPS-Störungen auf Kurs bleiben.
GuideNav GUIDE600G GUN-HARD MEMS IMU
Im Bereich der Hoch-G-Belastungen, wo herkömmliche MEMS-IMUs oft katastrophal versagen, setzt GuideNavs GUIDE600G Maßstäbe in Sachen Zuverlässigkeit. Diese extrem robuste MEMS-IMU ist so konstruiert, dass sie Stößen von erstaunlichen 20.000 g standhält und ist damit eine unverzichtbare Komponente für missionskritische Anwendungen in der Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie.
Der GUIDE600G ist ein Beweis für GuideNavs Engagement, die Grenzen der MEMS-Technologie zu erweitern. Hier sind einige seiner wichtigsten Merkmale:
- Extrem widerstandsfähig: Der GUIDE600G ist so konstruiert, dass er Stößen von 20.000 g standhält und damit die Leistungsfähigkeit herkömmlicher MEMS-IMUs deutlich übertrifft. Dies wird durch fortschrittliche Materialien und symmetrische Siliziumgeometrien erreicht, die die Kräfte gleichmäßig verteilen und so Spannungsspitzen minimieren.
- Modulares Design: Dank seiner modularen Architektur lässt es sich problemlos in verschiedene Systeme integrieren und ist somit vielseitig für unterschiedliche Anwendungen einsetzbar.
- Hohe Datenausgaberate: Mit einer Ausgabefrequenz von 1200 Hz liefert der GUIDE600G Echtzeitdaten, die für eine präzise Navigation und Steuerung unerlässlich sind.
- Zuverlässigkeit unter extremen Umgebungsbedingungen: Es arbeitet effektiv in einem Temperaturbereich von -40°C bis +80°C und gewährleistet so Stabilität unter verschiedensten Umgebungsbedingungen.
- ITAR-frei
Diese Eigenschaften machen die GUIDE600G zu einer attraktiven Wahl für Lenkflugkörper der nächsten Generation, Hyperschallfahrzeuge und andere kritische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen von größter Bedeutung ist.
