Einsatz nicht strahlungsfester Prozessoren im Mondorbit …

Ist es machbar, einen Flugcomputer für ein kleines CubeSat-Raumschiff zu entwerfen, das für die Mondumlaufbahn bestimmt ist und ausschließlich von einem oder mehreren nicht strahlungsfesten Prozessoren gesteuert wird? Was sind die wichtigsten Designüberlegungen, um eine solche Architektur strahlungstolerant zu machen, ohne spezielle strahlungsgehärtete Komponenten zu verwenden?

Wie hoch wäre das zu erwartende Risiko von Einzelereignissen und ionisierenden Gesamtdosiseffekten über einen Zeitraum von einem Jahr?

Welche Art von Redundanz oder Abstimmungsschema, falls vorhanden, würde für die Prozessoren empfohlen?

Wie viel Rechenleistung benötigen Sie und wie viel Strom können Sie verbrauchen? Alte Prozessoren sind COTS. Der 65C02 (Apple II, Rockwell System65 usw.) wird mit einem Prozess gebaut, der viel viel größere Funktionen als die heutigen kleinen Prozessoren verwendet.
Da es sich um einen CubeSat handelt, wird nur eine geringe Verarbeitungsleistung benötigt, und es steht eine geringe elektrische Leistung zur Verfügung. Wie würde sich der 65C02 in einer solchen Umgebung verhalten?
Ja, mein Unternehmen hat . Nicht als Antwort verlassen, weil sich das unangemessen anfühlt, aber es ist eine Antwort auf den Machbarkeitsteil der Frage. Sie müssen den SEU- und TID-Teil Ihrer Frage näher erläutern. Gehen Sie von einer schnellen Injektion in die Mondumlaufbahn aus, gefolgt von einer einjährigen Mission? Wie viele durchlaufen die Van-Allen-Gürtel? Das SEU-Risiko ist hoch, aber strahlungstolerante Architekturen können sich erholen; ist das akzeptabel?
Angenommen, das Raumschiff würde freigegeben, nachdem die Van-Allen-Gürtel bereits passiert sind; Der Schlüsselteil der Frage lautet: Was sind die wichtigsten Designüberlegungen, um eine Architektur strahlungstolerant zu machen, ohne strahlungsfeste Elektronik zu verwenden?
@CosmoHarrigan Interessante Frage, ich habe in letzter Zeit viel darüber nachgedacht. Ich hoffe, Sie haben nichts gegen ein Kopfgeld dafür.

Antworten (1)

Ja, es ist wahrscheinlich möglich, aber um bestimmte praktikable Ansätze zu bestimmen, sind mehr Informationen über Ihre Mission erforderlich. Schlüsselfrage:

  1. Was ist die Transfer- und Betriebsbahn? Diese Informationen werden benötigt, um analytische Vorhersagen über die Wahrscheinlichkeit von Einzelereigniseffekten (SEE) und die Gesamtionisierungsdosis (TID) als Funktion der Missionszeit zu machen. Gute Übersicht zur Strahlung der JHU.

  2. Welche Abschirmung, wenn überhaupt, bietet das größere Raumschiff? Durch die Abschirmung werden die abgeleiteten Umgebungen auf diejenigen reduziert, die der Prozessor und andere anfällige Elektronik tatsächlich sehen.

  3. Welche Art von Computer wird benötigt? Zu den wichtigsten Anforderungen gehören Operationen pro Sekunde, Speicher, Speicherung usw. Verschiedene Arten von Komponenten und Technologien reagieren unterschiedlich auf Strahlungsumgebungen. Ihre Leistungsanforderungen können ganze Arten von Technologien ausschließen.

  4. Wann muss Ihr Computer in Betrieb sein? Ist es während des Starts, des Transits durch die Südatlantik-Anomalie, die Van-Allen-Gürtel oder andere lokalisierte Bereiche mit hoher Strahlungsbelastung eingeschaltet? Es ist wahrscheinlich eine einfachere Mission, wenn es erst eingeschaltet wird, wenn es die Mondumlaufbahn erreicht.

  5. Wahrscheinlich andere, die ich vergesse, die ich basierend auf Kommentaren hinzufügen werde.

Nun, da wir einige Komplexitäten aufgezählt haben, lassen Sie uns das munter wegwischen und über eine mögliche Architektur sprechen. Sie möchten insbesondere einen Prozessor, der nicht strahlungsgehärtet ist, aber es gibt eine Vielzahl anderer Ansätze zur Strahlungstoleranz, die Sie verwenden können.

  1. Mehr Abschirmung. Diesmal rund um den Computer oder Prozessor. Aluminium ist ein gutes, billiges und leichtes Schildmaterial. Tantal ist ein weiteres Hochleistungs-Abschirmungsmaterial.

  2. Herabstufung. Verwenden Sie Komponenten unterhalb ihrer angegebenen Werte. Dadurch vertragen sie mehr Strahlung. MIL-STD-975M enthält Hinweise zur Herabsetzung.

  3. Wählen. Besitzen Sie mehrere Kopien Ihrer anfälligsten Komponenten (wahrscheinlich Prozessoren oder Speicher), die abstimmen, um die Wahrheit zu bestimmen. Voted EEPROMS können eine gute Möglichkeit sein, einen goldenen Master von Schlüsselinformationen zu speichern, die wiederhergestellt werden können, wenn der Fehlererkennungsspeicher ein umgedrehtes Bit findet, das er nicht reparieren kann.

  4. Watchdog-Timer. Latch-up ist ein Strahlungsausfallmodus, der durch Power-Cycling wiederhergestellt werden kann. Haben Sie einen robusten analogen Watchdog-Timer, der nicht strahlungsanfällig ist und regelmäßig vom Prozessor gestreichelt werden muss. Wenn der Prozessor hängen bleibt, setzt der Zeitgeber die Stromversorgung zurück, um alle Zwischenspeicher zu löschen. Natürlich erfordert dies, dass Ihre Mission robust genug ist, um den Computer beim Neustart ein wenig ausfallen zu lassen.

  5. Wenn Sie den Computer nicht herunterfahren lassen können, möchten Sie vielleicht einen redundanten Prozessor, der im Schattenmodus läuft und ein automatisches Failover auf den sekundären Computer ausführt.

  6. Sie sollten den Rotz aus all dem testen.

Könnten Sie Algorithmen und mögliche Designs für Abstimmungen näher erläutern?
Was Sie fragen, ist das Thema von Graduiertenkursen in Luft- und Raumfahrt und Computertechnik und könnte ein ganzes Buch oder eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten füllen.
@AdamWuerl Wahr genug. Ich vermute, es gibt bereits eine Menge einschlägiger Literatur. Könnten Sie versuchen, auf einige zu zeigen?
@AdamWuerl Vielen Dank für die nachdenkliche und informative Antwort. Wenn Sie einige empfohlene Referenzen speziell für relevante Abstimmungsalgorithmen haben, die Sie in der Antwort erweitern möchten, wäre dies hilfreich. Insbesondere gibt es Konsensprotokolle zum Umgang mit Unzuverlässigkeit im Bereich der verteilten Computerforschung, und ich bin gespannt, welche Teile dieses Forschungsgebiets als am besten auf diesen Problembereich anwendbar angesehen werden.
Zur Anwendbarkeit von Distributed Computing kann ich nichts sagen. Das liegt außerhalb meiner Expertise. Ich bin auch kein Experte für Computerarchitekturen. In meinem Graduiertenkolleg wurde es nur kurz angerissen. Beruflich ist mein Wissen nicht viel tiefer als das oben Gesagte, was ich bei der Arbeit mit Leuten gesammelt habe, die solche Programme implementiert haben.
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