Welchen zusätzlichen Einschränkungen sind wir ausgesetzt, wenn wir Elektronik/Mikrosysteme für den Einsatz im Orbit entwerfen?
Welche Abschirmtechniken werden eingesetzt? Ist es üblich, die gesamte Elektronik in einem Faraday-Käfig einzuschließen, oder werden andere Abschirmmethoden bevorzugt?
Wie werden Komponenten in Luft- und Raumfahrtqualität getestet und wie schneidet ihre Zuverlässigkeit im Vergleich zu Teilen von der Stange ab? Können richtig geschirmte Standardkomponenten in Sachen Zuverlässigkeit mithalten?
Welche Arten der mechanischen Unterstützung/Verstrebung/Dämpfung werden verwendet, um elektrische Systeme während Start/Landung und für die zu erwartende hohe thermische Belastung zu schützen?
Das ist was ich mache! Viele, viele hervorragende Bücher wurden zu diesem Thema geschrieben, aber als kurze Stichpunktliste, die sich insbesondere auf eingebettete Systeme für die Weltraumnutzung konzentriert:
Im Allgemeinen verwenden wir viele der hochzuverlässigen Designpraktiken, die wir in vielen Jahrzehnten hart erlernter Lektionen aus der Verteidigung, der Luftfahrt und sogar der Automobilindustrie (Bremssteuerungen, ABS) gelernt haben. Dazu gehören Methoden der Fehlertoleranz (n-Redundanz, Ausfallsicherheit usw.), strenge Analyse und Qualitätskontrolle von Software und Hardware sowie die Einhaltung der vielen zu diesem Thema geschriebenen Standards (besonders wichtig, wenn Sie für ein traditionelles Unternehmen arbeiten). Weltraumumgebung).
Insbesondere für die Elektronik sind ionisierende Strahlung und das Fehlen der Magnetosphäre der Erde die großen. Als grobe Vereinfachung können wir in zwei Klassen einteilen: Gesamtionisierungsdosis (TID) und Einzelereigniseffekte . Beide haben Abschwächungen, die von viel Geld für spezialisierte Hardware bis hin zu cleveren Software-/Designlösungen reichen, die die Auswirkungen auf viel billigere Weise ausreichend abmildern können.
TID ist genau das, wonach es sich anhört – im Laufe der Zeit akkumulieren Sie Schäden durch ionisierende Strahlung und schließlich hören Ihre Halbleiter auf, Halbleiter zu werden. Die Effekte variieren stark je nach Prozessgröße, Aufbau und vielen anderen Effekten auf Geräteebene, aber Effekte, die Sie möglicherweise sehen, umfassen die Verschiebung der MOSFET-Schwellenspannung – stellen Sie sich einen N-Kanal-MOSFET vor, dessen Vt langsam nach unten driftet, bis er immer eingeschaltet ist. Es wurden einige unglaublich gehärtete Prozesse entwickelt, um sehr hohe Dosismengen zu unterstützen – die für Jupiter bestimmte Juno-Mission hat einige unglaubliche Hardware in einem massiven, buchstäblichen Gewölbe .
Eine Randbemerkung zu TID, da Strahlungseffekte natürlich auch für terrestrische Anwendungen wie Atomwaffen interessant sind, wird häufig mit hohen und niedrigen Dosisraten getestet. Einige Halbleiterbauelemente liefern für beide unterschiedliche Ergebnisse – zum Beispiel wurde in einem Artikel, den ich gelesen habe, ein LDO sowohl hohen als auch niedrigen Dosisraten ausgesetzt. Einer verschlechterte die Brokaw-Bandlückenschaltung, wodurch die Ausgangsspannung im Laufe der Zeit abfiel. Der andere verschlechterte das Beta des Ausgangstransistors und reduzierte den Ausgangsstrom im Laufe der Zeit.
Single-Event-Effekte sind tatsächlich auch auf der Erde zu beobachten – ECC-DDR-Speicher sind den meisten Menschen zum Beispiel für kritische Anwendungen bekannt. Darüber hinaus müssen die meisten Verkehrsflugzeuge dies berücksichtigen, da ihre Betriebshöhe hoch genug ist, dass hochenergetische Neutronen eine Fehlfunktion der elektronischen Schaltung verursachen können. Dies wird im Volksmund als "Bit-Flips" bezeichnet - ein energetisches Teilchen wandert durch einen Schaltkreis und vermittelt eine lineare Energieübertragung (LET), die ausreichen kann, um ein Bit-Upset (SEU), einen Latch-Up-Zustand ( SEL), was zu einer hohen Stromaufnahme aufgrund von parasitärem BJT-Verhalten, MOSFET-Gatebruch (SEGR) und Burn-out (SEB) führt. Man könnte allgemein jedes Ereignis, das zu einem Systemausfall führt, als SEFI – Single-Event Functional Interrupt – klassifizieren.
Ich werde Latch-up ausdrücklich nennen. Es gibt terrestrische Spezifikationen für Latch-up, die unter JESD78 fallen, aber diese sind nicht für strahlungsinduzierte Latch-up-Bedingungen ausgelegt. Der Mechanismus ist zwischen den beiden ähnlich – eine parasitäre NPN-Struktur kann in einer herkömmlichen CMOS-Konstruktion mit Energie versorgt werden, wodurch ein Pfad mit niedriger Impedanz von der Stromversorgung zur Masse 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, für die Bonddrähte und verschiedene Teile der Chips ausgelegt sind, stirbt dieser Chip einen feurigen Tod, wenn dieser Situation nicht abgeholfen wird. Eine übliche Abschwächung ist ein vorgeschalteter Stromsensor, der reagiert, um die Stromversorgung zu unterbrechen und den Latch-up zu entfernen.
In Bezug auf Software und Prozessoren reduziere ich es auf zwei Hauptprobleme. Einer schützt flüchtigen Speicher – Registerdateien, RAM (SRAM/DRAM) usw. Es wäre unglücklich, wenn Ihr PC-Register eine SEU nehmen und plötzlich woanders überspringen würde. Zweitens schützt nichtflüchtigeArbeitsspeicher – Ihre Software ist nutzlos, wenn sie beschädigt wird und nicht ausgeführt werden kann. Der übliche flüchtige Schutz ist ECC (normalerweise SECDED) plus kontinuierliches Scrubbing auf Fehler. Für nichtflüchtige Speicher 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 Anbietern sechsstellige Beträge aufwärts für hochzuverlässigen, unternehmenskritischen Speicher.
Mechanisch, zumindest in der LEO-Umlaufbahn, wechselst du alle 45 Minuten zwischen Sonne und Dunkelheit. Dies ist zusätzlich zu der Notwendigkeit, die Strapazen des Starts 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 Pre-Launch-Tests durch, um sicherzustellen, dass wir auf dem Weg nach oben nicht zu Treibgut werden. Bei der Montage vermeiden wir die Verwendung bleifreier Lote und beschichten alle elektrischen Baugruppen mit Schutzlack.
Thermisch gesehen gibt es im Weltraum keine Konvektion. Bei Hochleistungs-ICs ist der einzige Weg für die Wärmeübertragung Strahlung und Leitung. Interessante Kühlkörperdesigns müssen in Betracht gezogen werden, um Wärme effektiv von einem Gerät zu entfernen, indem nur diese beiden Methoden verwendet werden. 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 im "neuen Raum", wo die Leute keine massiven GEO/MEO-Vögel bauen, die kritische nationale Sicherheits- oder kommerzielle Bedürfnisse unterstützen, werden COTS-Teile oft geflogen, nachdem sie Tests / Analysen am Boden unterzogen wurden, um zu sehen, wie sie abschneiden. Während man ein flugbereites, mehrere hundert Krad tolerantes 74xx00-Quad-NAND-Gate für ein paar hundert Dollar kaufen kann, testen einige Leute möglicherweise viele 74LVC00- oder ähnliche Teile, um zu sehen, wie sie sich auch schlagen. Es ist alles in der Höhe des Risikos, das Sie bereit sind zu tolerieren.
Mein Hintergrund liegt im Design von Automobil-, Unterhaltungs- und Industrieelektronik, bevor ich in die Raumfahrt einstieg. Also, oft ist mein Denkprozess "Mann, ich werde dieses fantastische monolithische, stromsparende, hochmoderne Teil verwenden! Oh, warte - Raum.". Das wird dann normalerweise ersetzt, indem ich darüber nachdenke, wie diskretisiert und wie minimiert ich diese Lösung für einen Stall aus strahlungstoleranten oder strahlungsgehärteten Komponenten basierend auf dem Wissen (entweder aus Tests oder verfahrenstechnischen Vorhersagen) ihrer Strahlung machen kann Leistung.
Einige gute Bücher / Ressourcen zum Lesen:
Wenn diese Antwort mehr Interesse weckt, werde ich wahrscheinlich zurückkehren, um sie auszufüllen / zu bearbeiten, um sie sauberer zu machen.
Thermische Überlegungen, mechanische Überlegungen und Ausgasung beim Betrieb im Vakuum, Strahlung und damit verbundene Störungen und Schäden, Vibrationen und Erschütterungen während des Starts, Exportkontrollen für Geräte und Dokumentation. Begrenzte oder nicht vorhandene Fähigkeit, Reparaturen oder physische Upgrades durchzuführen.
Andi aka
Grebu
RYS