ESA připravuje pro budoucí mise gyroskopické senzory velikosti kostky cukru

Vnitřní pohled do senzoru MEMS
9 září 2009

Jedna z příštích misí ESA určených k pozorování Země bude sledovat svoji polohu v prostoru pomocí nejmenších gyroskopů, které tato kosmická agentury kdy vyslala do vesmíru. Nyní procházejí testovací fází, přičemž srdcem gyroskopické jednotky je zařízení o velikosti kostky cukru odvozené ze senzoru používaného milióny automobilů proti blokování brzdových systémů.

Ve vesmíru není žádné nahoře nebo dole. Družice proto sledují svoji přesnou polohu podobným způsobem jako třeba ponorky nebo letadla: s pomocí rychle rotujících gyroskopů udržujících pevnou orientaci stejným způsobem jako dětské hračky – např. káča. Ale gyroskopy pro kosmické použití musí tento princip komplexně vylepšit tak, aby byl robustní a spolehlivý i pro dlouhé mise.

„Už jsme zažili několik selhání starých mechanických gyroskopů přímo na oběžné dráze, takže se jejich spolehlivost dostala na pořad dne,“ říká Stéphane Dussyová z divize kontrolních systémů ESA. „Nyní jsou považované za přežité, protože s použitím znalostí z jiných oblastí již byly vyvinuté spolehlivější gyroskopy používající statickou technologii.“

MEMS v miliónech aut

Vylepšením s obzvláště velkým příslibem jsou systémy MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Jsou vyrobené podobným způsobem jako mikroprocesory s tím, že obsahují pohyblivé části nebo senzory takových rozměrů, že svou velikostí odpovídají běžnému křemíkovému čipu.

Pro kosmonautiku jsou atraktivní kvůli svému malému rozměru, nízké spotřebě a vysoké odolnosti pro vibracím. Ač mohou senzory MEMS vypadat na první pohledu trochu exoticky, jsou již dávno používané v miliónech na evropských silnicích.

Během posledních patnácti let totiž automobilový průmysl přijal technologii MEMS za svoji vlastní. Tato zařízení jsou tak k nalezení na mnoha místech moderních automobilů: akcelerometry MEMS stojí za aktivací airbagů, tlakové senzory MEMS sledují tlak v pneumatikách a gyroskopy na bázi MEMS brání před zablokováním brzd, stejně jako pomáhají udržovat stopu na kluzkém povrchu.

V projektu financovaném z programů TRP (Technology Research Programme) a GSTP (General Support Technology Programme) vybrala ESA pro modifikaci ke kosmickému použití MEMS z „křemíkové“ řady SiRRS-01. Toto zařízení je vyráběné britskou společností Atlantic Inertial Systems Ltd. (AIS), dříve součástí BAE Systems. Hlavním kontraktorem pro průmyslovou fázi je skotská firma Selex Galileo, zatímco anglická společnost SEA je hlavním kontraktorem pro fázi vývojovou.

Jako sklenice vína

MEMS rate sensor
Senzor MEMS

Na rozdíl od klasických rotačních gyroskopů představuje SiRRS-01 gyroskop s tzv. vibrační strukturou s křemíkovou hlavicí připojenou ke křemíkové struktuře elektrickým obvodem. Jde o princip objevený v roce 1890 fyzikem Georgem Hartleym Bryanem. Přiměl tehdy skleničku vína rezonovat tím, že objížděl prstem kolem její hrany, a pak ji otáčel. Když to dělal, tón měnil své vlastnosti s tím, jak se měnila rychlost otáčení: což byl efekt řízený Coriolisovou silou.

„Gyroskopy pracují stejným způsobem,“ vysvětluje Stéphane Dussyová. „Křemíkový disk se chvěje stejně jako sklenice vína a jakýkoliv posun v tomto chvění je možné změřit, přičemž derivací lze zjistit velikost rotace.“

Opevněno pro vesmír

Zatímco nosný princip zůstává tentýž, gyroskop jako takový potřebuje kompletní přepracování, aby byl schopen práce ve vesmíru, uvádí Dick Durrant ze SEA: „Výzvou je právě vylepšení této technologie, aby mohla pracovat ve tvrdých podmínkách kosmického prostředí a zároveň aby se ještě zvýšila její jedinečná přesnost.“

Což znamená zodolnění proti namáhání při startu a kosmické radiaci stejně jako nahrazení pro kosmické lety určenou elektronikou na místě standardních dílů. Během procesu vývoje tato varianta zařízení MEMS, pojmenovaná SiREUS, více než zdvojnásobila svoji velikost 4 krát 4 milimetry na stále velmi slušných 10 krát 10 mm.

Uvedení do práce

Sentinel-3 artist's impression
Kresba družice Sentinel-3

Na družici ESA Sentinel-3 budou gyroskopy používány pro stanovení pohybu satelitu a také pro nastavení do předem určené orientace ve spojení s optickými senzory po oddělení s nosné rakety: pro udržení orientace na Slunce a Zemi. Tři z těchto zařízení poletí uvnitř integrované gyroskopické jednotky, přičemž každá bude monitorovat jinou osu pohybu, se záložní jednotkou zajišťující, že systém bude redundantní. Každá jednotka měří 11 krát 11 krát 17 cm s celkovou hmotností 750 gramů.

Jakmile projde kvalifikací, SiREUS bude k dispozici pro další kosmické mise. Dick Durrant vysvětluje: „Dokázali jsme připravit produkt s významným cenovým a operačním přínosem pro budoucí kosmické projekty, přičemž již brzy bude tato gyroskopická jednotka plně kvalifikována pro operační použití.“

„ESA poskytuje kritické financování, abychom se dostali od masového produktu k technologii kvalifikované pro vesmír, což nemůže být vykonáno na čistě komerčním základě. Také nám to umožňuje dosáhnout přesnosti, která výrazně převyšuje možnosti a požadavky na standardní senzory MEMS.“

Sentinel-3

Sentinel-3 je jedna z družic navržených pro to, aby plnily požadavky GMES (Global Monitoring for Environment and Security). To je společná iniciativa ESA a Evropské komise, jejímž cílem je ustanovení operačního systému pro monitorování životního prostředí. Satelit Sentinel-3 má provádět globální pozorování oceánů, ledu a vegetace. Jeho start je připravován na rok 2013.

Další informace

Stephane.Dussy @ esa.int
technik kontrolních systémů

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.