С какими дополнительными ограничениями мы сталкиваемся при разработке электроники/микросистем для использования на орбите?
Какие методы защиты используются? Общепринято ли заключать всю электронику в клетку Фарадея или предпочтительны другие методы экранирования?
Как тестируются компоненты аэрокосмического класса и как их надежность соотносится с готовыми деталями? Могут ли правильно экранированные стандартные компоненты конкурировать с точки зрения надежности?
Какие типы механических опор/креплений/демпферов используются для защиты электрических систем во время взлета/посадки и от ожидаемых высоких тепловых нагрузок?
Это то, что я делаю! На эту тему написано много-много прекрасных книг, но в виде краткого списка, посвященного встраиваемым системам для использования пространства:
В целом, мы используем многие из методов проектирования высоконадежных систем, полученные в течение многих десятилетий из опыта оборонной, авиационной и даже автомобильной промышленности (контроллеры тормозов, АБС). Это включает в себя методы отказоустойчивости (n-избыточность, отказоустойчивость и т. д.), тщательный анализ и контроль качества программного и аппаратного обеспечения, а также соблюдение многих стандартов, написанных по этому вопросу. (Особенно критично, если вы работаете в традиционной космическая среда).
В частности, для электроники большое значение имеют ионизирующее излучение и отсутствие магнитосферы Земли. В качестве грубого упрощения мы можем разделить их на два класса: общая ионизирующая доза (TID) и единичные эффекты . У обоих есть способы смягчения последствий, которые варьируются от больших затрат на специализированное оборудование до умных программных/дизайнерских решений, которые могут достаточно смягчить последствия гораздо более дешевым способом.
TID - это именно то, на что это похоже - со временем вы накапливаете повреждения от ионизирующего излучения, и в конечном итоге ваши полупроводники перестают становиться полупроводниками. Эффекты сильно различаются в зависимости от размера процесса, состава и многих других эффектов на уровне устройства, но эффекты, которые вы можете увидеть, включают сдвиг порогового напряжения MOSFET — представьте себе N-канальный MOSFET, Vt которого медленно дрейфует вниз, пока он не станет всегда включенным. Некоторые невероятно жесткие процессы были разработаны для поддержки очень больших количеств доз — предназначенная для Юпитера миссия «Юнона» имеет невероятное оборудование внутри массивного буквального хранилища .
Дополнительное замечание по TID, поскольку, конечно, радиационные эффекты также представляют интерес для наземных применений, таких как ядерное оружие, испытания часто проводятся при высоких и низких мощностях дозы. Некоторые полупроводниковые устройства дают разные результаты для обоих - например, статья, которую я читал, подвергала LDO воздействию как высоких, так и низких мощностей дозы. Один из них ухудшил схему запрещенной зоны Brokaw, со временем снижая выходное напряжение. Другой ухудшил бета-версию выходного транзистора, со временем уменьшая выходной ток.
Однособытийные эффекты на самом деле можно наблюдать и на Земле — например, большинство людей знакомы с памятью ECC DDR для критически важных приложений. Кроме того, большинство коммерческих самолетов должны учитывать это из-за того, что их рабочая высота достаточно высока, чтобы нейтроны высокой энергии могли вызвать неисправность электронной схемы. Это обычно называют «переворотом битов» — энергичная частица проходит через цепь, обеспечивая линейную передачу энергии (LET), которая может быть достаточной, чтобы вызвать сбой бита (SEU), состояние фиксации ( SEL), что приводит к потреблению большого тока из-за паразитного поведения BJT, разрыва затвора MOSFET (SEGR) и выгорания (SEB). Вы можете в широком смысле классифицировать любое событие, которое приводит к сбою системы, как SEFI — однократное функциональное прерывание.
Я специально назову защелку . Существуют наземные спецификации для запирания, которые подпадают под JESD78, но они не предназначены для условий запирания, вызванных радиацией. Механизм у них одинаков: в обычной КМОП-структуре может быть возбуждена паразитная структура NPN, что приводит к созданию пути с низким импедансом от источника питания к земле. Это, конечно, приведет к тому, что большие токи будут протекать через часть микросхемы, которая никогда для этого не предназначалась. Помня о плотности тока проводов и различных частях кристаллов, рассчитанных на то, что если эту ситуацию не исправить, этот чип умрет огненной смертью. Обычным средством смягчения последствий является датчик тока выше по течению, который реагирует на отключение источника питания и удаление защелки.
Что касается программного обеспечения и процессоров, я выделяю две основные проблемы. Один из них — защита энергозависимой памяти — файлов регистров, ОЗУ (SRAM/DRAM) и т. д. Было бы прискорбно, если бы регистр вашего ПК принял SEU и внезапно пропустился где-то еще. Во- вторых, защищает энергонезависимуюпамять - ваше программное обеспечение бесполезно, если оно повреждено и не может выполняться. Обычная энергозависимая защита - это ECC (обычно SECDED) плюс постоянная очистка от ошибок. Для энергонезависимой памяти это намного сложнее — покупать большие объемы защищенной памяти невероятно дорого, в ущерб научным миссиям НАСА/ЕКА. Некоторые люди используют n-избыточность, другие используют изначально защищенные технологии, такие как MRAM или FRAM (в некоторой степени, для работы COTS), а третьи платят поставщикам шестизначные суммы за высоконадежное хранилище для критически важных задач.
Механически, по крайней мере, на околоземной орбите вы совершаете температурные циклы между солнцем и тьмой каждые 45 минут. Это в дополнение к необходимости выдержать суровые условия запуска — у моих коллег-механиков также есть набор требований, которые они разрабатывают (я полагаю, что часть этого — GEVS ), чтобы убедиться, что мы выдержим запуск ракеты с высокой перегрузкой. Они проводят внушительный объем анализа и тестов перед запуском, чтобы убедиться, что мы не превратимся в обломки по пути наверх. При сборке мы избегаем использования бессвинцовых припоев и покрываем все электрические сборки конформным покрытием.
Термически в космосе нет конвекции. Для мощных ИС единственным путем передачи тепла является излучение и проводимость. Необходимо рассмотреть интересные конструкции радиаторов, чтобы эффективно отводить тепло от устройства, используя только эти два метода. Кроме того, тестирование на земле становится аппаратным, потому что вам нужна не только термокамера, но и вакуумная камера. Вот несколько фотографий камер TVAC JPL.
Работая в «новом космосе», где люди не строят массивные птицы GEO/MEO, которые поддерживают критически важные потребности национальной безопасности или коммерческие нужды, часто части COTS отправляются в полет после прохождения испытаний/анализа на земле, чтобы увидеть, как они поживают. В то время как можно купить готовый к полету, устойчивый к нескольким сотням Крад 74xx00 quad-NAND Gate за несколько сотен долларов, некоторые люди могут протестировать множество 74LVC00 или подобных деталей, чтобы увидеть, как они работают. Все дело в размере риска, который вы готовы терпеть.
До того, как я начал работать в космосе, я занимался проектированием автомобильной, бытовой и промышленной электроники. Итак, часто мой мыслительный процесс таков: «Чувак, я собираюсь использовать эту потрясающую монолитную, маломощную, современную деталь! О, подожди — космос». Затем это обычно заменяется размышлениями о том, насколько дискретизированным и сведенным к минимуму я могу сделать это решение для стабильности радиационно-устойчивых или радиационно-стойких компонентов на основе знаний (либо из испытаний, либо из прогнозов, основанных на технологическом процессе) их излучения. спектакль.
Несколько хороших книг/ресурсов для чтения:
Если этот ответ вызовет больший интерес, я, скорее всего, вернусь, чтобы заполнить / отредактировать его, чтобы он был чище.
Термические аспекты, механические аспекты и выделение газов при работе в вакууме, радиация и связанные с ней сбои и повреждения, вибрация и удары во время запуска, экспортный контроль устройств и документации. Ограниченная или отсутствующая возможность производить ремонт или физическую модернизацию.
Энди ака
Гребу
РЫС