С какими дополнительными ограничениями мы сталкиваемся при разработке электроники / микросистем для использования на орбите?
Какие виды экранирования применяются? Распространено ли помещать всю электронику в клетку Фарадея или предпочтительнее использовать другие методы экранирования?
Как тестируются компоненты аэрокосмического качества и как их надежность сочетается с готовыми деталями? Могут ли правильно экранированные стандартные компоненты конкурировать с точки зрения надежности?
Какие типы механических опор / креплений / демпфирования используются для защиты электрических систем во время взлета / посадки и для ожидаемого высокого теплового напряжения?
Ответы:
Это то, что я делаю! По этой теме было написано много отличных книг, но в виде краткого списка пунктов, в которых особое внимание было уделено встроенным системам для использования пространства:
В целом, мы используем многие из методов проектирования высокой надежности, извлеченные за многие десятилетия усвоенных уроков из обороны, авиации и даже автомобилестроения (контроллеры тормозов, ABS). 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 важно, если вы работаете на традиционном космическая среда).
В частности, для электроники большое значение имеет ионизирующее излучение и отсутствие магнитосферы Земли. Как грубое упрощение, мы можем разделить на два класса: суммарная ионизирующая доза (TID) и эффекты одного события . У обоих есть меры по смягчению, которые варьируются от бросания больших денег на специализированное аппаратное обеспечение и умных программных / дизайнерских решений, которые могут смягчить эффекты достаточно намного 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 вы можете увидеть такие эффекты, как смещение порогового напряжения MOSFET - представьте себе N-канальный MOSFET, Vt которого медленно смещается вниз, пока он не будет всегда включен. Некоторые невероятно закаленные процессы были разработаны для поддержки очень больших количеств доз - предназначенная Юпитеру миссия Юнона имеет невероятное оборудование внутри огромного буквального хранилища .
Дополнительное примечание по TID, поскольку, конечно, радиационные эффекты также представляют интерес для наземных применений, таких как ядерное оружие, испытания часто проводятся при высоких и низких дозовых дозах. Некоторые полупроводниковые приборы дают разные результаты для обоих - например, прочитанная мною бумага подвергает LDO как высокой, так и низкой дозе. Один из них ухудшил схему запрещенной зоны Brokaw, понизив выходное напряжение с течением времени. Другой ухудшил бета-версию выходного транзистора, уменьшив выходной ток с течением времени.
Эффекты одиночного события также могут наблюдаться на Земле - большинство людей, например, 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 сбой в работе электронной схемы. Это обычно называют «переворотом битов» - энергичная частица проходит через цепь, передавая линейную передачу энергии (LET), которая может быть достаточной, чтобы вызвать битовое расстройство (SEU), условие защелки ( SEL), что приводит к сильному току из-за паразитного поведения BJT, разрыва затвора MOSFET (SEGR) и выгорания (SEB). Вы можете широко классифицировать любое событие, которое приводит к сбою системы, как SEFI - функциональное прерывание одного события.
Я специально отзову укрытие . Существуют наземные спецификации для фиксации, которые подпадают под JESD78, но они не предназначены для условий радиационной блокировки. Механизм одинаков между двумя - паразитная структура NPN может быть под напряжением в обычной конструкции CMOS, что приводит к созданию пути с низким импедансом от питания к земле. Это, конечно, приведет к тому, что через часть микросхемы, которая никогда не была предназначена для этого, протекает большое количество токов. Помня о том, что соединительные провода с плотностями тока и различные части матриц предназначены для того, чтобы, если эту ситуацию не исправить, этот чип погибнет огненной смертью. Общее смягчение - это датчик тока на входе, который реагирует на отключение электропитания и снятие защелки.
Что касается программного обеспечения и процессоров, я разбираю его на две основные проблемы. Одним из них является защита энергозависимой памяти - файлы регистров, ОЗУ (SRAM / DRAM) и т. Д. Было бы прискорбно, если бы реестр вашего ПК взял SEU и внезапно пропустил куда-то еще. Во-вторых, это защита нелетучихпамять - ваше программное обеспечение бесполезно, если оно повреждено и не может работать. Обычной энергозависимой защитой является ECC (обычно SECDED) плюс непрерывная очистка на наличие ошибок. Для энергонезависимой системы это намного сложнее - большие объемы закаленной памяти невероятно дороги для покупки, что наносит большой ущерб научным миссиям НАСА / ЕКА. Некоторые люди используют n-избыточность, другие используют естественные технологии, такие как MRAM или FRAM (в некоторой степени, для работы COTS), а другие платят поставщикам свыше шести цифр за высоконадежное и критически важное хранилище.
Механически, по крайней мере на орбите LEO, вы проходите термический цикл между солнцем и тьмой каждые 45 минут. Это в дополнение к необходимости пережить трудности запуска - мои коллеги-механики тоже предъявляют ряд требований (я полагаю, что это часть GEVS ), чтобы быть уверенными в том, что мы выдержим запуск ракеты с высоким G. Они проводят внушительный анализ и тестирование перед запуском, чтобы убедиться, что мы не станем частичками на пути к успеху. При сборке мы избегаем использования бессвинцовых припоев и конформного покрытия всех электрических сборок.
Термически, в космосе нет конвекции. Для мощных ИС единственным путем для передачи тепла является излучение и проводимость. Интересные конструкции радиатора должны рассматриваться для эффективного отвода тепла от устройства, используя только эти два метода. Кроме того, испытания на месте становятся аппаратными, потому что вам нужна не только тепловая камера, но и вакуумная камера. Вот несколько фотографий камер JPAC TVAC.
Работая в «новом пространстве», где люди не строят массовых птиц GEO / MEO, которые поддерживают критические потребности национальной безопасности или коммерческие нужды, часто части COTS летают после прохождения тестирования / анализа на местах, чтобы увидеть, как они поживают. В то время как можно купить готовые к полету, несколько сотен килрадных ворот 74xx00 с четырьмя NAND за несколько сотен баксов, некоторые люди могут протестировать партии 74LVC00 или аналогичные детали, чтобы увидеть, как они поживают. Все зависит от риска, который вы готовы терпеть.
До того, как я начал работать в космосе, я занимался проектированием автомобильной, бытовой и промышленной электроники. Поэтому часто мой мыслительный процесс звучит так: «Чувак, я собираюсь использовать эту удивительную монолитную, маломощную, современную деталь! О, подождите - пространство». Это обычно затем заменяется размышлением о том, насколько дискретно и насколько минимизировано я могу сделать это решение для стабильных радиационно-стойких или радиационно-стойких компонентов на основе знаний (либо из испытаний, либо из прогнозов, основанных на технологии процесса) их излучения. представление.
Несколько хороших книг / ресурсов для чтения:
Если этот ответ вызовет больше интереса, я, вероятно, вернусь назад, чтобы заполнить его / отредактировать, чтобы он стал чище.
источник
Тепловые соображения, механические соображения и выделение газа при работе в вакууме, излучение и связанные с ним расстройства и повреждения, вибрация и удары во время запуска, экспортный контроль на устройствах и документация. Ограниченная или несуществующая способность производить ремонт или физическое обновление.
источник