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使用高质量模块化太阳模拟器测试航空航天姿态和轨道控制系统 (AOCS)

发表时间:2022-07-21 16:27

G2V Sunbrick AAA LED 太阳能模拟器使 CNES 的姿态和控制系统工程师能够以高性价比地进行他们所需的高质量模块化测试,以便为即将到来的火星卫星探索任务 (MMX) 开发准确的传感器。

随着人类更频繁地进入外太空,我们需要更安全、准确地导航,并保持对越来越多的轨道碎片的准确监控,以便我们能够安全地进入太空。

法国航天局CNES(le Centre nationale d'études spatiales致力于太空冒险方面的研究,以及保护欧洲独立的太空发射能力

CNES 是制定和实施法国太空政策的政府机构。它致力于承担社会责任,使空间具有保护性和可持续性,从空间中创造共享价值,减少人类的生态足迹,并支持区域复原力。

CNES 从事具有高商业应用潜力的项目。CNES Connect 计划为法国科技工作者提供了获取空间数据和技术专业知识的途径,以降低他们进入航空航天领域的门槛。除此之外,CNES 还是一个集思广益的开放技术平台

CNES202112迎来了成立60周年庆。对于 CNES 姿态和轨道控制系统 (AOCS) 部门的设备工程师 Yann Charront 来说,CNES让他有机会参与探索激动人心的未知世界,还能将工作成果服务于地球。

“G2V 给我们提供了高度集成高性价比的高质量设备,可用于内置模块化的不同项目。” – Yann CharrontAOCS设备工程师

挑战

CNES接下来的重点项目之一是即将到来的2024 年火星卫星探索(MMX)任务

MMX 任务计划在火卫一上登陆火星车,并在带回土壤样本之前飞越火卫二。这些工作将需要一个准确的导航和航向修正系统。


MMX 探头的计算机生成图像。来源:https://www.mmx.jaxa.jp/en/gallery/

MMX 任务需要强大的姿态和轨道控制系统 (AOCS),以使探测器和流动站保持准确的定位和轨迹。

通过光检测进行准确的姿态和轨道控制

众所周知,在太空中跟踪方向难度很高因为太空中的参照系不好找。星星是 AOCS 系统中的常见参照点,因为它们与我们的关系基本固定。因此,光传感器是航空航天AOCS中使用的多种导航系统之一,并且星跟踪器非常常用。

检测入射光特性的微小变化对于这些仪器来说至关重要,因为在轨道尺度上工作时,小的角度误差对应于巨大的距离。

AOCS 系统是卫星或航天器的眼睛和耳朵,它们必须高度准确和可靠。

MMX 探测器上流动站和不同传感器的位置。资料来源:http://jda.jaxa.jp/result.php?lang=e&id=e38ead3903eb9982cf274811036e4510

CNES 开发的 AOCS 系统不仅限于 MMX 任务。他们的许多其他项目都需要同样强大的系统,包括空间监视跟踪 (SST)任务,这是跟踪近地轨道数十万块轨道碎片工作的一部分,以便安全地发射到轨道及更远的地方。

准确和有代表性的地面测试

Yann Charront 正在与他的团队合作开发基于光电二极管的太阳和恒星跟踪器,以量化太阳的位置和航天器的方向。他需要某种方法在地球上来测试他的光电二极管,替代在外太空的测试

我们总是想确定我们在做什么。我们采取了额外的预防措施,所以我们的结果是没有问题的。

地面测试是任何航空航天子系统开发的重要组成部分。地球上准确的模拟和测试环境可以最大限度地降低将设备发射到外太空的成本和风险。

我们确实需要对设备的性能有一个很好的了解,如果没有合适的地面设备,我们就无法做到这一点。因为一旦你在火卫一上发现你的电池无法充电,那你就完了。

准确的通量和光谱

由于没有大气吸收(没有空气,或AM0),太阳在太空中的光谱与在地球上的光谱不同。差异在于总通量和光谱分布。因此,Yann 和他的 AOCS 团队需要一个能够以高保真度和光谱匹配再现空间光谱 (AM0) 的太阳模拟器。

在联系 G2V之前,Yann 和他的团队无法正确模拟太阳光谱以进行测试和开发。

如果您没有 AAA 光源,您会测量到很多噪声,伴随实验偏差。如果没有一个优质的 [太阳能模拟器],你就无法计算任何有效参数。

模块化、灵活的太阳模拟

作为投入运行前审查的一部分,更多的航空航天子系统和材料需要在阳光下进行测试。虽然 Yann 和他在 CNES AOCS 团队可以使用真空室进行热测试,但他们希望更灵活的模块化系统,可以移动到不同地点来进行更多所在地测试。Yann 希望通过更紧凑、更便携的解决方案来提高他们的测试能力。

高质量、经济实惠的太阳模拟

Yann的预算不足以购买像真空室一样昂贵的太阳模拟解决方案。虽然他想要一个更实惠的系统,但他也不能在光谱质量上妥协,因为光谱中的任何不准确都会反映在他的 AOCS 系统的最终性能上。

我们以前没有办法进行这样的测试。这是完全未知的领域。

角度调整

Yann 需要为他的光电二极管表征的关键参数之一是它们对不同角度的入射光的响应,因为这对于确定航天器相对于光源的方向至关重要。因此,任何太阳模拟器解决方案都需要具备不同角度照射样品的功能。

结果非常令人鼓舞Sunbrick值得信赖!它的通量稳定而且噪音低。” – Yann CharrontAOCS 设备工程师

基于 LED 的太阳模拟器解决方案


寻找 SunbrickG2V太阳模拟器解决方案

Yann网络上找到了有关 Sunbrick AAA LED 太阳模拟器。Sunbrick满足Yann所期望的所有要求,同时在不需要像其他产品那样进行复杂定制。

紧凑和模块化的大面积太阳模拟

Sunbrick 符合 Yann 的紧凑性要求可以轻松地在实验室和洁净室之间移动。

Sunbrick 的可变光谱模块允许调谐 LED 通道

Sunbrick 的可变光谱模块支持AM0太阳光谱输出

可变光谱模块还具备单独调谐 LED 通道功能,使 Yann 能够调整感兴趣的窄波段,以探测他的设备在不同照明下的灵敏度。这对于基于氙气或金属卤化物灯泡的模拟器来说是根本不可能的。

高性价比的 AAA 级太阳能模拟器

Sunbrick定价合理,使Yann在不超出预算的情况下买到优质模拟器成为可能。


Sunbrick操作便捷

Yann 最喜欢 Sunbrick 的一点是它的易用性安装简单界面直观、软件明了

我会向其他人推荐 G2V 吗?是的——我已经做了” – Yann CharrontAOCS 设备工程师

结果

Yann Sunbrick 进行的第一个测试是将传感器置于0度入射角 (AOI)。然后,他将传感器安装在陀螺仪台上,以使其相对于 Sunbrick 的角度倾斜,由于传感器的相对尺寸较小,这是合理的解决方案。

通过3D打印实现在两个轴上倾斜,并且他正在编程以实现对Sunbrick的天空进行全自动扫描。这种快速的自动化测试将使他能够在太阳跟踪器的开发中快速获得进步。

Yann的团队还借助G2VPythonAPILabViewAPI提高其测试的自动化水平。

第一洞察力

通过 SunbrickYann能够比较两种不同的传感器测量值:连接到 MMX 漫游车的车载计算机时的测量值,以及从EGSE(电气地面支持设备)制造商处获得的测量值。EGSE 系统旨在为初始测试提供高度可靠、高性能的设备,但该设备并非为太空工作设计。在本次测试中,Yann想要评估所有的噪声和偏差来源同时再一次确认对Sunbrick的信心。他的总目标之一是量化电子设备的噪声,因此太阳模拟器光源的噪声越少越好。

分享利益

Yann Sunbrick 非常满意,并将它借给了 CNES 的另一个研究太阳能电池板的团队。

该团队正在对另一颗卫星进行寿命测试,其中将太阳能电池板放入真空室并循环温度。在每个循环阶段之间,他们移除太阳能电池板,然后使用 Sunbrick 确认电池板的性能是否下降。这种太阳能电池板测试大约每月进行一次,持续大约四个小时。

可靠测试,助力遨游

Yann的测试结果和对Sunbrick天空的扫描将使他能够准备 MMX 漫游者的单个太阳传感器,以便在火卫一上部署。

探索火星的卫星将为人类提供新的认知,但这只有依赖可靠、完善的设备才能实现。

借助 SunbrickYann 能够将更多时间和精力集中在开发关键传感器上。凭借易于使用、紧凑和模块化的AAA 级太阳模拟器系统,Yann的团队正在不断获得可靠的测试结果,最终开发出使人类能够安全、更丰富地探索宇宙的技术。

参考资料

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CNES (2020). “MMX (Martian Moons Exploration).” Retrieved online on Sep 13, 2021 from https://mmx.cnes.fr/en/mmx-martian-moons-exploration-0

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Travis, Henry (2020). “Introduction to Satellite Attitude Control.” in Advances in Spacecraft Attitude Control, edited by Sands, Timothy. Retrieved online on Sep 13, 2021 from https://www.intechopen.com/chapters/69603



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