卫星电子器件的挑战

卫星电子器件的挑战

火箭科学真有那么难吗?听了“再难也难不过造火箭”这句谚语,您就会相信真有这么难。而且剧透警告:火箭科学的确千难万难,即使是航天工程师也这么认为。火箭科学、进入太空和制造卫星都是非常困难的工作。本文将探讨太空对电子系统来说为何是一个极具挑战性的地方。我们将了解如何克服进入太空和太空中存在的一些最具挑战性的部分,并重点介绍一些经过实践检验的顶级太空就绪组件产品。

进入太空

对于某些组件来说,航空航天最困难的部分实际上是到达那里。人类在优化地球上的旅行速度和舒适度方面做得非常出色;例如劳斯莱斯悬挂系统和豪华私人飞机座椅。但是太空旅行还没有看到“舒适性”的复兴。归根结底,进入太空的最大挑战,是发射火箭时的振动和加速度。以目前的火箭技术,许多组件在地球上时都要进行高达 14Grms 的测试。这是为了确保它们能够承受与火箭发射时相关的惊人动力、运动、振动和声音。由于目前所有的卫星都是通过火箭发射进入太空的,因此卫星本身的设计必须能够承受与火箭相同的极端力量。从本质上讲,卫星科学的困难程度与火箭科学半斤八两。

许多组件,如半导体,在极端振动和加速度下具有惊人的性能表现。但是,必须特别考虑这些组件的紧固问题。由于剧烈振动,组件的连接可能成为故障点。另一方面,机电组件在发射过程中特别容易出现故障,但一旦进入太空就不太容易出现故障。在这种情况下,选择用于航空航天连接器的互连器件时,就需要特别加以考虑。这些互连器件必须能够承受远比地球上大多数连接器更剧烈的事件。Amphenol Aerospace 的 MIL-DTL-38999 系列 III 是尖端航空航天连接器的一个极好例子,它能够在 200℃ 的高温振动下工作。它还拥有许多其他的太空防护功能。幸运的是,这些振动并不是工程师必须担心的永久性设计因素,因为加速到轨道速度可以在几分钟内实现。

前往太空时的另一个设计考虑因素是部件的抗热震性。从阳光明媚、潮湿的佛罗里达州海岸(美国许多火箭的发射地)到寒冷的零下 100 摄氏度(-148 华氏度)的太空温度,对于高导热材料来说尤其具有挑战性。这是因为它们会迅速改变温度,并在材料内部产生灾难性的应力。

太空环境

然而,卫星进入太空后,就必须对其所处的环境做出完全不同的设计考虑。就像冰岛的生态系统不同于法属波利尼西亚的生态系统一样,太空环境也因与地球的距离不同而大为不同。根据电子系统在太空中的位置,必须做出极为不同的考虑,以适应其所处环境带来的挑战。

太空压力

太空是真空。与地球上的大气压力相比,太空的压力相对为零。由于卫星中的一切部件都是在地球上制造的,因此固有地采用了制造过程中所经历的大气压力。然而,当这些组件被放置在真空中时,它们的性能可能与在大气压力下的性能截然不同。为确保组件在太空中经久耐用,每个组件都必须在模拟太空温度和无压力条件的热真空舱 (TVAC) 中进行测试。例如,如果由于制造缺陷,连接器的绝缘灌封橡胶本身封装有小气泡,则在真空条件下该气穴可能成为灾难性的爆炸。

此外,所有材料在真空下都会释放出气体,从而释放出相对大量的气态材料,这可能会严重阻碍相邻组件。例如,释放出的气态材料会覆盖在热能或太阳能电池阵列上。这可能会对效率产生负面影响,使传感器或光学器件起雾,甚至破坏相邻材料的基本热特性。通常,为了减少在太空中释放的气态材料量,卫星材料和电子组件在被送往太空之前会在 TVAC 舱中进行放气。

紫外线降解

大多数低地轨卫星,包括国际空间站,都存在于热大气层内。在这些区域,紫外线降解会对电子组件的材料特性产生不利影响。紫外线降解甚至会改变材料的分子组成,特别是从含氧材料中去除氧原子。因此,热控制子系统可能无法正常工作,光学器件的性能可能会退化,太阳能电池阵列的效率也会降低。位于低地轨的卫星必须为其电子系统使用特殊的紫外线屏蔽技术。这是为了确保没有紫外线降解发生,以免组件无法正常使用。

粒子存在

热大气层大约在地球表面之上 85km 到 500km 处,但整个中性环境在 100km 至 1000km 之间,包括热大气层和散逸层。在这种环境中,存在大量的氧、氮和氦分子。然而,来自太阳的紫外线能量同样会导致卫星材料的紫外线降解,也会导致氧、氮和氦的分子降解,形成各自的原子版本。原子氧会使航天器氧化,最终导致材料腐蚀。因此,在选择组件时,必须根据其暴露在太空环境中的情况,采取特殊的预防措施。

离子存在

在近地空间的两个特定区域,即所谓的范艾伦辐射带,电子和离子被困在地球磁场的特定波段中。这些辐射带位于距地球表面 500km 至 6000km 和 13000km 至 60000 km 处。这些条件创造了一个等离子体环境,这是由太阳带电粒子与原子相互作用形成的,可产生离子和自由电子。这些被困在地球磁场中的带电粒子可能落在卫星上,并产生类似于静电能量的电荷积聚(当您在地毯上摩擦双脚时)。如果这种积聚发生在卫星的孤立部位,就会形成电梯度,积聚的能量最终可能会产生电弧。许多电子组件对电弧极为敏感,因此必须对电子系统布局采取特殊的预防措施,以防止灾难性的电弧事件。

辐射环境

在地球上,太阳的辐射一般被我们大气层中的粒子吸收,且我们大气层的某些层吸收特定波段的辐射。然而,某些卫星轨道容易受到极高的辐射环境的影响。这可能会产生不可取的条件,让单个质子或中子(或从太阳或银河宇宙射线释放的电子)可以穿过材料。最常见的单粒子翻转的来源是银河宇宙射线,但是暴露于这些带电粒子的其他形式也可能存在。地球磁层外的卫星特别容易受到这些自由粒子辐射环境的影响。磁层通常保护地球免受这些辐射事件的影响。高度和倾角较低的卫星由于受到磁层的保护,不太可能受到太阳事件的影响。

不幸的是,这些自由粒子可能会导致单粒子翻转(将二进制 0 切换为 1),这意味着传感器可能会读取与实际信号完全相反的信号,从而错误地影响程序。此外,这些带电粒子可能会在进程的闩锁窗口期间破坏存储在 CPU 内存中的数据。这会对 CPU 造成不可修复的损害。由于地球上几乎每个进程的 CPU 速度都在提高,因此在太空 CPU 中很少能找到更高的时钟速度。这是因为增加的速度(即更多的闩锁窗口),使得 CPU 更加脆弱。科学家们通过“硬化”半导体材料来缓解这一问题 – 使用蓝宝石或砷化镓制造半导体材料,因为这两种材料比硅更不容易受到辐射的影响。然而,以这种方式硬化半导体需要对半导体铸造厂进行彻底改造,这意味着价格将达到天文数字。

其他方法(如 RHBD)实施标准的 CMOS 制造,并建立冗余以达到抗辐射的目的。例如,三重模块化冗余,在内存中为每个位创建三个相同的副本。在读取过程中,三个副本都会被读取,并且按少数服从多数来选择“正确”的副本。这降低了单个粒子破坏内存的能力。两个粒子必须同时与芯片上不同位置的两个不同的相同位副本相互作用,才能在读取阶段产生假阳性。

结语

太空的各个区域都存在着多种环境因素,使其几乎不适合电子器件的使用。为防止卫星上的任何系统发生故障,必须采取广泛的预防措施。这一点尤其重要,因为航空航天工程不能将部署的卫星简单地送到“修理厂”。每颗卫星的极端专业化要求几乎所有参与的工程师进行广泛的跟踪、设计考虑和一丝不苟的精确性。