Welchen zusätzlichen Einschränkungen begegnen wir beim Entwurf von Elektronik / Mikrosystemen für den Einsatz im Orbit?
Welche Abschirmtechniken werden angewendet? Ist es üblich, die gesamte Elektronik in einem Faradayschen Käfig einzuschließen, oder werden andere Abschirmmethoden bevorzugt?
Wie werden Komponenten für die Luft- und Raumfahrt getestet und wie kann sich ihre Zuverlässigkeit gegenüber Standardteilen behaupten? Können ordnungsgemäß abgeschirmte Standardkomponenten unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit konkurrieren?
Welche Arten von mechanischer Unterstützung / Aussteifung / Dämpfung werden verwendet, um elektrische Systeme während des Starts / der Landung und für die erwartete hohe thermische Belastung zu schützen?
Antworten:
Das ist was ich mache! Viele, viele ausgezeichnete Bücher wurden zu diesem Thema geschrieben, aber als kurze Aufzählungsliste, die sich insbesondere auf eingebettete Systeme für die Raumnutzung konzentriert:
Im Allgemeinen verwenden wir viele der hochzuverlässigen Konstruktionspraktiken, die wir über viele Jahrzehnte hinweg aus der Verteidigung, der Luftfahrt und sogar der Automobilindustrie (Bremssteuerungen, ABS) gelernt haben. Dies umfasst Methoden zur Fehlertoleranz (n-Redundanz, ausfallsicher usw.), eine strenge Analyse und Qualitätskontrolle von Software und Hardware sowie die Einhaltung der zahlreichen zu diesem Thema geschriebenen Standards (besonders wichtig, wenn Sie für ein traditionelles Unternehmen arbeiten Weltraumumgebung).
Speziell für die Elektronik sind ionisierende Strahlung und das Fehlen der Erdmagnetosphäre die große. Als grobe Vereinfachung können wir in zwei Klassen einteilen: Gesamtionisierende Dosis (TID) und Einzelereigniseffekte . Beide haben Abhilfemaßnahmen, die von viel Geld für spezialisierte Hardware bis hin zu cleveren Software- / Designlösungen reichen, mit denen die Auswirkungen viel billiger gemindert werden können.
TID ist genau das, wonach es sich anhört - im Laufe der Zeit akkumulieren Sie Schäden durch ionisierende Strahlung und schließlich werden Ihre Halbleiter nicht mehr zu Halbleitern. Die Effekte variieren stark je nach Prozessgröße, Aufbau und vielen anderen Effekten auf Geräteebene. Zu den möglichen Effekten gehört jedoch die Verschiebung der MOSFET-Schwellenspannung. Stellen Sie sich einen N-Kanal-MOSFET vor, dessen Vt langsam nach unten driftet, bis er immer eingeschaltet ist. Einige unglaublich gehärtete Prozesse wurden entwickelt, um sehr hohe Dosismengen zu unterstützen - die für Jupiter bestimmte Juno-Mission verfügt über unglaubliche Hardware in einem massiven, buchstäblichen Tresorraum .
Eine Randnotiz zur TID: Da Strahlungseffekte natürlich auch für terrestrische Anwendungen wie Atomwaffen von Interesse sind, werden Tests häufig mit hohen und niedrigen Dosisraten durchgeführt. Einige Halbleiterbauelemente zeigen für beide unterschiedliche Ergebnisse - beispielsweise hat ein von mir gelesenes Papier ein LDO sowohl hohen als auch niedrigen Dosisraten ausgesetzt. Man verschlechterte die Brokaw-Bandlückenschaltung und senkte die Ausgangsspannung mit der Zeit. Der andere verschlechterte das Beta des Ausgangstransistors und reduzierte den Ausgangsstrom im Laufe der Zeit.
Einzelereigniseffekte können tatsächlich auch auf der Erde beobachtet werden - die meisten Menschen sind beispielsweise mit ECC-DDR-Speichern für kritische Anwendungen vertraut. Darüber hinaus müssen die meisten Verkehrsflugzeuge dies berücksichtigen, da ihre Betriebshöhe hoch genug ist, dass hochenergetische Neutronen Fehlfunktionen der elektronischen Schaltung verursachen können. Dies wird im Volksmund als "Bit-Flips" bezeichnet - ein energetisches Teilchen wandert durch eine Schaltung und vermittelt einen linearen Energietransfer (LET), der ausreichen kann, um eine Bit-Störung (SEU), einen Latch-Up-Zustand (SE) zu verursachen. SEL), die aufgrund des parasitären BJT-Verhaltens, des MOSFET-Gate-Bruchs (SEGR) und des Burn-Outs (SEB) zu einer hohen Stromaufnahme führt. Sie können jedes Ereignis, das zu einem Systemausfall führt, allgemein als SEFI (Single Event Function Interrupt) klassifizieren.
Ich werde Latch-up speziell rufen . Es gibt terrestrische Spezifikationen für die Verriegelung, die unter JESD78 fallen, aber diese sind nicht für strahlungsinduzierte Verriegelungsbedingungen ausgelegt. Der Mechanismus ist ähnlich zwischen den beiden - eine parasitäre NPN-Struktur kann in einer herkömmlichen CMOS-Konstruktion erregt werden, wodurch ein Pfad mit niedriger Impedanz von der Leistung zur Erde erzeugt wird. Dies führt natürlich dazu, dass große Mengen an Strömen durch einen Teil des Chips fließen, der nie dafür ausgelegt wurde. Unter Berücksichtigung der Stromdichten sind Bonddrähte und verschiedene Teile der Chips dafür ausgelegt, dass dieser Chip eines feurigen Todes stirbt, wenn diese Situation nicht behoben wird. Eine übliche Abschwächung ist ein vorgeschalteter Stromsensor, der reagiert, um die Stromversorgung zu unterbrechen und die Verriegelung zu entfernen.
In Bezug auf Software und Prozessoren habe ich zwei Hauptprobleme herausgearbeitet. Eine davon ist der Schutz des flüchtigen Speichers - Registerdateien, RAM (SRAM / DRAM) usw. Es wäre bedauerlich, wenn Ihr PC-Register eine SEU nehmen und plötzlich woanders überspringen würde. Zweitens schützt nichtflüchtigeSpeicher - Ihre Software ist nutzlos, wenn sie beschädigt wird und nicht ausgeführt werden kann. Der übliche flüchtige Schutz ist ECC (normalerweise SECDED) plus kontinuierliches Schrubben auf Fehler. Für Nichtflüchtige ist es viel schwieriger - große Mengen an gehärtetem Speicher sind unglaublich teuer in der Anschaffung, sehr zum Nachteil der NASA / ESA-Wissenschaftsmissionen. Einige Leute verwenden n-Redundanz, andere verwenden nativ gehärtete Technologien wie MRAM oder FRAM (bis zu einem gewissen Grad für COTS-Arbeiten) und andere zahlen Anbieter im sechsstelligen Bereich für hochzuverlässige, geschäftskritische Speicher.
Zumindest im LEO-Orbit wechseln Sie mechanisch alle 45 Minuten zwischen Sonne und Dunkelheit. Dies ist zusätzlich zu der Notwendigkeit, die harten Startbedingungen zu überstehen - meine mechanischen Kollegen haben auch eine Reihe von Anforderungen, die sie entwerfen (ich glaube, ein Teil davon ist GEVS ), um sicherzustellen, dass wir den Hoch-G-Start einer Rakete überleben. Sie führen eine beeindruckende Menge an Analysen und Tests vor dem Start durch, um sicherzustellen, dass wir auf dem Weg nach oben nicht zu Treibgutstücken werden. Bei der Montage vermeiden wir die Verwendung bleifreier Lote und beschichten alle elektrischen Baugruppen konform.
Thermisch gibt es keine Konvektion im Raum. Bei Hochleistungs-ICs ist Strahlung und Wärmeleitung der einzige Weg für die Wärmeübertragung. Interessante Kühlkörperkonstruktionen müssen berücksichtigt werden, um Wärme nur mit diesen beiden Methoden effektiv von einem Gerät abzuleiten. Darüber hinaus wird das Testen am Boden zur Hardware, da Sie nicht nur eine Wärmekammer, sondern auch eine Vakuumkammer benötigen. Hier sind einige Bilder der TVAC-Kammern von JPL.
Bei der Arbeit in "neuen Räumen", in denen die Leute keine massiven GEO / MEO-Vögel bauen, die kritische nationale Sicherheits- oder Handelsbedürfnisse unterstützen, werden COTS-Teile häufig geflogen, nachdem sie vor Ort getestet / analysiert wurden, um zu sehen, wie es ihnen geht. Während man ein flugbereites, mehrere hundert krad tolerantes 74xx00 Quad-NAND-Gate für ein paar hundert Dollar kaufen kann, können einige Leute viele 74LVC00 oder ähnliche Teile testen, um zu sehen, wie sie auch abschneiden. Es hängt alles von dem Risiko ab, das Sie tolerieren möchten.
Mein Hintergrund liegt in der Entwicklung von Automobil-, Verbraucher- und Industrieelektronik, bevor ich in die Weltraumarbeit eintrat. Daher ist mein Denkprozess oft "Mann, ich werde diesen fantastischen monolithischen, stromsparenden, hochmodernen Teil verwenden! Oh, warte - Raum." Dies wird normalerweise ersetzt, indem darüber nachgedacht wird, wie diskretisiert und wie minimiert ich diese Lösung für einen Stall strahlungstoleranter oder strahlungsgehärteter Komponenten machen kann, basierend auf dem Wissen (entweder aus Tests oder Vorhersagen basierend auf Prozesstechnologie) über ihre Strahlung Performance.
Einige gute Bücher / Ressourcen zum Lesen:
Wenn diese Antwort mehr Interesse weckt, werde ich wahrscheinlich zurückschwingen, um sie auszufüllen / zu bearbeiten, um sie sauberer zu machen.
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Thermische Überlegungen, mechanische Überlegungen und Ausgasung bei Betrieb im Vakuum, Strahlung und damit verbundene Störungen und Schäden, Vibrationen und Stöße während des Starts, Exportkontrollen an Geräten und Dokumentation. Eingeschränkte oder nicht vorhandene Fähigkeit, Reparaturen oder physische Upgrades durchzuführen.
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