فهم تطبيقات وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) في مجال الطيران

في صناعة الطيران، الملاحة والتحكم الدقيقان أمران لا يمكن التفاوض عليهما. سواء كان الأمر يتعلق بتوجيه قمر صناعي إلى المدار، أو تثبيت طائرة بدون طيار في هواء مضطرب، أو ضمان أن تكون مناورات الطائرة المقاتلة حادة كالموسى، فإن هناك تقنية واحدة تلعب دورًا هادئًا ولكنه بالغ الأهمية: وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU).

وحدات القياس بالقصور الذاتي هي الأبطال المجهولون لأنظمة الفضاء - أجهزة مدمجة ومستقلة تقيس الحركة والاتجاه والتسارع دون الاعتماد على إشارات خارجية. وهذا يجعلها ضرورية في البيئات التي يكون فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير متاح أو مشوش أو غير موثوق به.

1️⃣ ما هي وحدة القياس بالقصور الذاتي؟

إن وحدة القياس بالقصور الذاتي هي جهاز إلكتروني يجمع عادةً بين:

• مقياس التسارع – قياس التسارع الخطي على طول محور واحد أو أكثر.
• الجيروسكوبات – قياس السرعة الزاوية (معدل الدوران) حول محور واحد أو أكثر.
• (اختياري) مقياس المغناطيسية – قياس الاتجاه بالنسبة للمجال المغناطيسي للأرض.

من خلال دمج هذه القياسات، يمكن لوحدة القياس بالقصور الذاتي تحديد اتجاه (توجيه) الجسم، والسرعة، وتغيرات الموضع بمرور الوقت.

2️⃣ لماذا تهم وحدات القياس بالقصور الذاتي في مجال الطيران

في تطبيقات الفضاء، توفر وحدات القياس بالقصور الذاتي:

• استقلالية الملاحة – تعمل بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو المنارات الخارجية.
• معدلات تحديث عالية – توفير بيانات حركة سريعة للتحكم في الوقت الفعلي.
• المتانة – تعمل في الظروف القاسية: قوى G عالية، أو فراغ، أو تداخل كهرومغناطيسي.
• التكرار – بمثابة نسخة احتياطية لأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

3️⃣ التطبيقات الرئيسية في مجال الطيران

✈️ ملاحة الطائرات والتحكم في الطيران

• تستخدم الطائرات التجارية والعسكرية وحدات القياس بالقصور الذاتي في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS)
• الخاصة بها لتوفير بيانات الموضع والاتجاه المستمرة.تعتمد

أنظمة التحكم بالطيران السلكي

• على ملاحظات وحدة القياس بالقصور الذاتي لتعزيز الثبات ووظائف الطيار الآلي.
• التحكم في اتجاه المركبات الفضائيةتستخدم الأقمار الصناعية والمسبارات الفضائية وحدات القياس بالقصور الذاتي للحفاظ على الاتجاه لمحاذاة الألواح الشمسية وتوجيه الهوائي واستهداف الأجهزة العلمية.أثناء

الإطلاق وإعادة الدخول

• ، توجه وحدات القياس بالقصور الذاتي تصحيحات المسار عندما يكون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير متاح.
• مركبات الإطلاق والصواريخ

توفر وحدات القياس بالقصور الذاتي بيانات تسارع ودوران عالية الدقة لأنظمة التوجيه.

• إنها تضمن استهدافًا دقيقًا والتحكم في مسار الرحلة حتى في البيئات المحرومة من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
• الطائرات بدون طيار والطائرات بدون طيار

تعمل وحدات القياس بالقصور الذاتي على استقرار الرحلة في الوقت الفعلي، مما يتيح التصوير الجوي السلس ورسم الخرائط والاستطلاع.

في عمليات السرب، تساعد وحدات القياس بالقصور الذاتي في الحفاظ على التشكيل دون تحديثات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المستمرة.4️⃣ التكامل مع الأنظمة الأخرىنادراً ما تعمل وحدات القياس بالقصور الذاتي بمفردها - فهي جزء من

• نظام دمج المستشعرات:
• تكامل نظام الملاحة بالقصور الذاتي/نظام تحديد المواقع العالمي (INS/GPS) – يقوم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بتصحيح انحراف وحدة القياس بالقصور الذاتي؛ تعمل وحدة القياس بالقصور الذاتي على سد فترات تعطل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
• أجهزة بيانات الهواء – تجمع بيانات وحدة القياس بالقصور الذاتي مع سرعة الهواء والارتفاع ودرجة الحرارة للتحكم في الطيران.

متتبعات النجوم

• – في المركبات الفضائية، توفر وحدات القياس بالقصور الذاتي بيانات الحركة قصيرة المدى بين نقاط التثبيت السماوية.5️⃣ التحديات والاعتبارات الهندسية
• الانحراف – تتراكم أخطاء القياس الصغيرة بمرور الوقت، مما يتسبب في عدم دقة الموضع.
• المعايرة – تتطلب محاذاة دقيقة وتعويضًا لتأثيرات درجة الحرارة.
• الحجم والوزن والطاقة (SWaP) – تتطلب منصات الفضاء تصميمات مدمجة وخفيفة الوزن ومنخفضة الطاقة.

مقاومة الاهتزاز والصدمات

– يجب أن تتحمل قوى الإطلاق والاضطرابات والضغط الميكانيكي.6️⃣ مستقبل وحدات القياس بالقصور الذاتي في مجال الطيرانالتطورات في

• تقنية MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة)
• تجعل وحدات القياس بالقصور الذاتي:
• أصغر وأخف لـ CubeSats والطائرات بدون طيار الصغيرة.

أكثر تكلفة دون التضحية بالأداء.أكثر ذكاءً، مع الذكاء الاصطناعي المدمج للملاحة التنبؤية واكتشاف الأخطاء.بينما تندفع مهام الفضاء إلى

الفضاء الأعمق والسرعات الأعلى والعمليات الأكثر استقلالية

، ستظل وحدات القياس بالقصور الذاتي حجر الزاوية في الملاحة والتحكم - مما يضمن بهدوء أن كل مناورة دقيقة، وأن كل مسار صحيح.الأفكار النهائيةمن قمرة قيادة الطائرة النفاثة إلى فراغ الفضاء السحيق، تعد وحدات القياس بالقصور الذاتي هي الملاحون الصامتون الذين يبقون مركبات الفضاء على المسار الصحيح. إن قدرتهم على العمل بشكل مستقل عن الإشارات الخارجية تجعلهم لا يقدرون بثمن في السيناريوهات الهامة للمهمة. في صناعة حيث