Вы действительно можете использовать Arduino для небольшого космического корабля?

Можно ли построить космический корабль на базе Arduino? Что вы можете! ArduSat был двумя кубсатами, профинансированными на Kickstarter, которые в конечном итоге были запущены с Международной космической станции в ноябре 2013 года. Если подумать, Arduino легко превосходит, например, компьютер управления Apollo , которому более сорока лет.

Все ваши требования должны быть выполнимы, если это просто пролетная миссия.

Кстати, снимки мест посадки «Аполлона» уже сделаны, например, зондом «Клементина » .

Вы можете, но это будет страдать от ряда проблем. Эти проблемы, вероятно, можно преодолеть с помощью краткосрочной миссии. Проблемы включают в себя:

1. Радиация - ухудшает долгосрочный эффект электроники.
2. Сбои в одиночном событии. Это, вероятно, самая большая опасность, удар высокоэнергетического космического луча может привести к небольшому перевороту, потенциально изменив код, работающий критически важным образом.
3. Температура. Если не следить за температурой, могут возникнуть значительные повреждения.
4. Вакуум. Возможно, это не большая проблема, но может вызвать выделение газов, что может иметь долгосрочный эффект.
5. Вибрация — детали могут вибрировать во время запуска.

Их, вероятно, в основном можно преодолеть, добавив дополнительную защиту космическому кораблю. Но нет ничего особенного, что помешало бы использовать Arduino для управления космическим кораблем, особенно в очень краткосрочной миссии. Это было продемонстрировано на НОО, но радиационные эффекты будут более серьезными для миссии на Луну. В общем, можно, но я бы не советовал.

Я согласен с ответом Хоманнфана. Этот ответ касается более широкой проблемы компьютеров на спутниках.

Кому нужен компьютер? Я не думаю, что в миссии, которую вы описали в вопросе, есть что-то, что вообще требует какого-либо «цифрового компьютера». Может показаться, что обработка изображений и навигация очень требовательны с точки зрения вычислений, но это в основном потому, что мы привыкли к идее мира, поддерживаемого высокоуровневым программным обеспечением.

Я думаю, что это хорошая отправная точка с точки зрения системного инженерного образования, чтобы фактически пройти через вовлеченные процессы и спросить себя: « Какова самая простая возможная реализация? », особенно с точки зрения « какие решения абсолютно должны быть приняты на борту, а не чем по наземному командованию? ». Разработчики миссий в 60-80-х годах часто выступали за то, что «компьютер не нужен». Только с тех пор, как вес, производительность и стоимость таких вещей снизились, мы принимаем это как должное.

Цифровой Все логические решения, которые необходимо принимать на спутнике, в принципе могут приниматься с помощью дискретных логических вентилей. Это инженерное суждение о том, когда созданный таким образом «цифровой конечный автомат» стал настолько сложным, что его лучше было бы заменить архитектурой ЦП / адресной шины / шины данных.

Кстати, не очевидно, что существует какая-то четкая граница между дискретной электроникой и «компьютером» в современном понимании. Эта статья о Pioneer 10 намекает на промежуточные возможности.

Большая часть вычислений для миссии была выполнена на Земле и передана на зонд, где он смог сохранить в памяти до пяти команд из 222 возможных вводов наземными диспетчерами. Космический корабль включал в себя два дешифратора команд и блок распределения команд, очень ограниченную форму процессора, для управления операциями на космическом корабле.

Аналоговые Кроме того, решения, касающиеся прогрессивных величин - выходы датчиков и контуры управления, в первую очередь анализируются с точки зрения техники управления. То, как они реализованы, опять-таки зависит от дизайна, а старый мир был полон аналоговых компьютерных элементов.

Экологическая совместимость Существует среда запуска, а затем естественное излучение после выхода на орбиту. К последним относятся повреждения от электростатического разряда (см. здесь ), а также повреждения от дозы облучения и смещения. Один интересный анекдот состоит в том, что все более производительные компьютеры, использующие физически меньшие логические элементы и время переключения, более уязвимы для этих эффектов, чем их старшие собратья. Когда дело доходит до ESD, экранирование не помогает, когда на обшивке космического корабля есть периферийные части схемы. Дизайнерам нужно отнестись к этому внимательно.

Кстати, спасибо @uhoh за ссылку , было интересно.

Это должно быть возможно. ESA проверило радиационную стойкость некоторых родственных процессоров, используемых в Arduino, и они оказались довольно хорошими, по крайней мере, для относительно короткой миссии. Некоторые современные устройства на самом деле используют чипы с древней архитектурой 8051.

Мощности процессора будет достаточно для навигации, может быть, даже достаточно для потоковой передачи записанных фальшивых изображений.

Редактировать: Powerpoint, обобщающий выводы ESA, можно найти здесь .

Результат Heavy Ion для ATMega128

ATMega128-AU16 имеет приемлемое поведение для среды ISS LEO.

SEL раз в 481 год

SEU раз в 690 лет

AT90CAN128-AU16 неприемлем для космического применения.

Микросхема, используемая во многих Arduino, — это ATMega328, двоюродный брат ATMega128.

Другие освещали аппаратные трудности, но я хотел бы упомянуть о программных трудностях. Получить достаточный запас (ЦП и память) сложно на процессорах класса arduino. Космический корабль, на котором я работал, требовал всего от 50% до 90% запаса , что означает, что вы можете использовать только от 50% до 10% процессора. Маржа предназначена для таких вещей, как планирование и очистка памяти. Другой фактор заключается в том, что просто сложнее (и, следовательно, дороже) написать надежное программное обеспечение с меньшими ресурсами. Существует тонкая грань между слишком простым (не может выполнить всю проверку, которую вы действительно должны сделать) и слишком сложным (невозможно протестировать), и Arduino, вероятно, предпочитает первое.

Вам не нужно столько вычислительной мощности или оперативной памяти, чтобы исследовать космос. Arduino намного мощнее, чем процессоры, которые исторически использовались на космических кораблях. Базовая Arduino — это 16 МГц и 256 КБ флэш-памяти. Вы можете добавить оперативную память или флэш-память в значительных объемах. Компьютеры, используемые в космической программе «Аполлон» , и близко не стоят на этом.

Процессоры Galileo имеют частоту 8 МГц, а Spirit и Opportunity — процессоры с частотой 20 МГц. Код этих зондов был оптимизирован и специально разработан для этой цели, что позволяет очень эффективно использовать доступные вычислительные ресурсы.

Это вполне выполнимо.

С вычислительной точки зрения можно упаковать туда все алгоритмы. Однако, как вы указываете, есть проблемы с радиационной защитой, но на интегральные схемы также влияет температура, поэтому необходимо также учитывать надлежащую теплоизоляцию, поскольку они определенно не предназначены для работы в «суровых» условиях.

Я думаю, что этот проект очень сложный. Чтобы получить подробные высококачественные снимки мест посадки Аполлона, нужна очень низкая орбита вокруг Луны. Расстояние между космическим кораблем и посадочной площадкой должно быть достаточно небольшим для детальной картины. Но эти очень низкие лунные орбиты нестабильны из-за масконов Луны. Чтобы избежать крушения, маленькому космическому кораблю потребуется сложная двигательная установка и много топлива для управления орбитой. Навигация должна быть чрезвычайно точной, чтобы выйти на орбиту над посадочной площадкой. Нет лунного GPS для навигации. Поиск мест посадки требует сложной и очень быстрой обработки изображений, чтобы обнаружить остатки посадки на серии снимков. Я сомневаюсь, что Arduino имеет достаточную вычислительную мощность для обработки изображений в реальном времени.

Мое мнение: вы могли бы использовать плату Arduino, но вам пришлось бы переделывать ее, чтобы она не соответствовала RoHS, то есть с использованием припоя из сплава свинца и олова, с применением конформных покрытий и заливкой. В нынешнем виде космическая электроника в любом случае не соответствует требованиям RoHS.

Платы Arduino, которые вы покупаете в готовом виде, соответствуют требованиям RoHS и используют бессвинцовые припои, единственным основным конструкционным металлом которых является олово, легированное небольшим количеством серебра. Одной из проблем, связанных с этим в космической среде, является высокая восприимчивость к росту оловянных усов из паяных соединений, которые могут вызывать короткие замыкания из-за замыкания на соседние дорожки. Оловянные усы уже задавались здесь как вопрос. Содержание свинца замедляет рост усов и угнетает оловянного вредителя.

К сожалению, рост и причины появления этих усов недостаточно изучены, и продолжительность миссии не имеет значения — они могут появиться в любое время.

Таким образом, ваша COTS Arduino может выйти из строя в любой момент.

Это то, что я тоже изучал. Вот моя идея:

Используйте ATMEGA328 (или ATMEGA16A, если он достаточно прочный) с тройным резервированием, используя только сквозные компоненты на макетной плате. Как упоминалось в другом месте здесь, используйте свинцовый припой. Схема голосования для каждого цифрового выхода может быть построена с 4 логическими вентилями. Счетчик ошибок и схема сторожевого устройства для сброса неисправного ЦП также могут быть построены из дискретных логических микросхем. В данный момент я смотрю на серию 4000. Добавьте оптоизоляторы там, где они имеют смысл. Медная лента сверху и снизу каждого чипа может немного помочь.

Когда закончите, нанесите конформное покрытие на всю доску. Добавьте тонкий стальной радиочастотный экран поверх наиболее чувствительных компонентов. Используйте заливочную эпоксидную смолу под экранированием. Есть новое исследование (извините, у меня нет ссылки), которое предполагает, что ржавчина может помочь отклонить определенные нежелательные частицы, поэтому, если это внутреннее экранирование ржавое, это может помочь. Экранирование должно быть подключено к общему заземлению с какой-либо защитой от внезапных всплесков.

Поместите все это в проектную коробку из фрезерованного / литого алюминия со стенками толщиной не менее ⅛ дюйма. Для внешних соединений следует использовать авиационные разъемы GX. Чтобы сталь и алюминий не соприкасались, используйте медь или латунь. Как именно, зависит от того, как вы сделали отверстие и сколько свободного места вокруг него Заполните всю коробку герметиком Отшлифуйте сопрягаемые поверхности коробки и крышки для хорошего контакта, закрутите и заклейте шов токопроводящей лентой.

Он может быть немного тяжелее, чем вам хотелось бы, но все эти методы вместе дают ему боевые шансы на выживание.

Редактировать:

• Если что-то действительно критично, используйте механические реле вместо МОП-транзисторов.
• Избегайте электролитических конденсаторов, как чумы. Также избегайте полиэфирных и нейлоновых пленочных конденсаторов. Монолитные керамические конденсаторы «достаточно хороши», но обычно стараются использовать как можно меньше конденсаторов.