Электроніка касмічнага ўзроўню альбо Як Юнона НАСА выжывае побач з Юпітэрам

Шэсць касмічных місій, якія нагадалі нам даследаванне космасу, складаныя

Лістапад 2011 года быў асабліва хвалюючым часам для планетарыяў. Расія запусціла свой касмічны карабель "Фобас-Грунт", прызначаны для пасадкі на Фобас, і гэта першая ў свеце спроба правесці самую вялікую марсіянскую луну. Што яшчэ больш хвалюе тое, што касмічны апарат збіраўся вярнуць узор ~ 200 г з паверхні Фобаса! Навука!

Манеўры, якія будуць выконваць Фобас Грунт вакол Марса. Крыніца: Вікіпедыя

Запуск быў паспяховым, але касмічны апарат ніколі не пакідаў арбіту нізкай Зямлі (LEO). Касмічны апарат не выпусціў агонь сваіх рухавікоў, а яго арбіта загніла за лічаныя тыдні. Нацягнутая Зямлёй, яна пагрузілася ў акіян, што прывяло да поўнай місіі. Разам з касмічным караблём былі страчаны і першы ў Кітаі арбіта Марс Yinghuo-1, і на борце эксперымент LIFE Планетарнага грамадства.

Дык што пайшло не так? Справаздача аб адмове паказала, што электронныя кампаненты касмічнага карабля не былі кваліфікаваны для выкарыстання ў космасе і не былі пратэставаны да запуску. Страта Фобаса-Грунта і навукі, якую ён мог бы зрабіць, стала горкім напамінам пра няўмольны характар ​​касмічных даследаванняў. Выразанне кутоў распрацоўкі і тэставання касмічных караблёў, каб зэканоміць некаторыя выдаткі, будзе каштаваць нам яшчэ больш.

У гэтым артыкуле мы разгледзім, як пабудавана электроніка касмічных апаратаў, каб перажыць суровасць касмічных асяроддзяў і некалькі цікавых поглядаў на розныя касмічныя місіі.

Частка А - Зацвярдзенне электронікі для выкарыстання ў прасторы

Пабудаваць да апошняга

Электронныя кампаненты, якія выкарыстоўваюцца ў касмічных апаратах, павінны быць створаны, каб выжыць у суровых касмічных асяроддзях і надзейна функцыянаваць у ім. Міністэрства абароны ЗША даручае больш за 100 выпрабаванняў для забеспячэння надзейнай працы ва ўмовах механічнага ўздзеяння, вялікіх ваганняў тэмпературы і інтэнсіўнага іанізуючага выпраменьвання. Усе электронныя кампаненты касмічнага ўзроўню павінны быць кваліфікаваны ў індывідуальным парадку, у адрозненне ад тэставання ўзораў, распаўсюджаных у камерцыйных і прамысловых мэтах.

Па той жа прычыне, што ўся электроніка, якая знаходзіцца ў IAU нашага касмічнага апарата TeamIndus, з'яўляецца поўнасцю касмічнай. Гэтак неабходныя кампаненты, як датчык зоркі. Іншыя электронныя сістэмы, такія як прылады для апрацоўкі малюнка і машыны марской сеткі, пабудаваныя так, каб яны былі няспраўнымі.

Касмічны апарат Voyager, запушчаны ў 1977 годзе, да гэтага часу працуе. Крыніца: Вікіпедыя

Каб забяспечыць патрэбную надзейнасць, дызайнеры сістэмы не могуць выкарыстоўваць найноўшыя і найлепшыя чыпы. Калі мы паглядзім, якія працэсары выкарыстоўваюцца ў касмічных апаратах, мы выявім, што большасць з іх вельмі старыя канструкцыі, некаторыя нават узыходзяць да 1990-х гадоў. Важна выкарыстоўваць тое, што было апрабавана, і мы ведаем, што будзе працаваць.

Электронныя кампаненты загартоўваюцца для выкарыстання ў прасторы, выкарыстоўваючы некаторыя з наступных метадаў:

Пакаёвы электрычны трансфарматар, прызначаны для ўстаноўкі на друкаванай плаце для выкарыстання ў прасторы. Паверхню, утвораную чыгунным складам, відаць справа. Крыніца: Вікіпедыя

1. Гаршчок

Вібрацыі ракеты падчас запуску могуць выклікаць механічную нагрузку на электроніку і пашкодзіць яе. Працэс ганчання ўключае запаўненне электроннай зборкі цвёрдым / жэлацінавым складам, каб супрацьстаяць ударам і вібрацыям.

2. Крэмній на ізалятары

Чыпы для выкарыстання ў памяшканні вырабляюцца на ізаляцыйнай падкладцы, а не на крамянёвай, каб яны былі больш устойлівымі да выпраменьвання і няспраўнасці.

3. Тыпы аператыўнай памяці

Статычныя АЗП (SRAM) аддаюць перавагу дынамічным, а не дынамічным (DRAM), паколькі яны маюць менш энергіі. Гэта мае важнае значэнне для тых выпадкаў, калі касмічныя апараты працуюць у рэжымах малой магутнасці, але трэба працягваць адсылаць тэлеметрыю.

4. Знешняя экранаванне

Знешні шчыт (як свінец) вакол электронных кампанентаў памяншае ўздзеянне радыяцыі, тым самым павялічваючы працягласць жыцця місіі. Гэта асабліва карысна пры шматгадовых місіях, такіх як "Новыя гарызонты", якія зараз знаходзяцца на шляху да аб'екта пояса Койпера.

Такім чынам, памеры электронных кампанентаў, прыдатных да выкарыстання прасторы, звычайна значна большыя, чым камерцыйныя / прамысловыя.

Уплыў радыяцыі на электроніку касмічных апаратаў

Нягледзячы на ​​праверку кампанентаў на касмічны клас, усё роўна ўсё роўна могуць працаваць у касмічнай місіі з-за інтэнсіўнага касмічнага выпраменьвання. Шырокі спектр эфектаў, якія адносяцца да катэгорыі "Эфекты адзінкавых падзей", можа выклікаць аператыўныя праблемы.

  • Іёны ў касмічным выпраменьванні, якія ўзаемадзейнічаюць з кампанентамі чыпа, могуць пераламаць стан біт і выклікаць памылкі ў памяці.
  • Іён высокай энергіі або пратон, які праходзіць праз ўнутраныя транзістарныя развязкі, можа выклікаць зашчапкі, што прывядзе да кароткага замыкання.
  • Сапраўды гэтак жа, гэтыя высокаэнергетычныя часціцы могуць дазволіць страціць электроны ў ланцугу, што прывядзе да незваротнага пашкоджання.

Страты памяці, паслядоўнасці выканання кода, якія збіраюцца сена, зашпількі і г.д., - усё непажаданыя элементы паспяховай касмічнай місіі. Некаторыя праблемы можна пераадолець толькі за кошт жорсткага скіду, а некаторыя наносяць пастаянны незваротны ўрон. Электроніка касмічных апаратаў павінна быць пабудавана з улікам усіх гэтых фактараў.

Акрамя інцыдэнту Фобас-Грунт, давайце разбярэмся ў касмічных місіях, якія дзейнічаюць як пастаяннае напамін пра жорсткі, няўмольны характар ​​касмічных даследаванняў.

Частка B - Цікавыя выпадкі касмічнай электронікі ў розных касмічных місіях

1. Калі вы страціце зорныя датчыкі

Першы месячны арбітальны арбіт Чандраян-1 у Індыі не спрацаваў праз некалькі месяцаў на месяцовай арбіце. Экстрэмальнае ўздзеянне сонечнай радыяцыі ў спалучэнні з іншымі фактарамі таксама выклікала збой датчыка рэзервовай зоркі.

Chandrayaan-1 схема, якая паказвае два зорных датчыка. Крыніца: Вікіпедыя

Астатнюю частку місіі трэба было завяршыць пры дапамозе бартавых гіраскопаў і пастаянных карэкцый з наземнай станцыі. Місія была ў канчатковым выніку паспяховай, але яна нагадвала, што нават кампаненты касмічнага класа могуць зрывацца.

2. Калі ў вас ёсць шэсць кампутараў, трэба выканаць адно заданне

Касмічны апарат Галілеа, прызначаны для арбіты і вывучэння Юпітэра, меў не адзін, а шэсць працэсараў. Выжыванне ў асяроддзі прамянёў Ювітэра (Юпітэра) - якое на парадкі больш інтэнсіўнае, чым на Зямлі - абавязана кожнай буйной падсістэме кіраваць уласным працэсарам для допуску да няспраўнасці. Такім чынам, калі адзін працэсар памрэ, ён адключае толькі адзін галоўны інструмент.

Уражанне мастака пра касмічны карабель NASA

Кожны з выкарыстаных працэсараў быў 8-бітны RC 1802, тактаваны на 1,6 МГц. Яны былі выраблены на сапфіры (крэмній на ізалятары), які падвяргаецца радыяцыі і падыходзіць для інтэнсіўных умоў Джовія. Магчымасці апрацоўкі касмічнага карабля "Галілеа" былі эквівалентныя класічным кампутарам Apple II, якія прадаваліся дзесяцігоддзем раней.

Схема магнітасферы Джовіана, якая ахоплівае чатыры Луны. Касмічны апарат Галілей сутыкнуўся з інтэнсіўнай радыяцыяй на ўсіх блізкіх перавалах да Юпітэра. Крыніца: Джон Спенсер

Выкарыстанне залішніх модуляў рэзервовага капіравання - гэта звычайная практыка ў распрацоўцы касмічных караблёў, каб мінімізаваць праблемы. Нягледзячы на ​​гэтыя ахоўныя меры, жорсткае асяроддзе Юпітэра выклікала звыш дзясятка анамалій касмічнага карабля "Галілеа" з часам, у тым ліку частыя перазагрузкі бартавых кампутараў.

3. Калі сонечныя ўспышкі пашкоджваюць сонечныя батарэі

На шляху да астэроіда Ітакава ў 2003 годзе японскі касмічны карабель Хаябуса патрапіў у лік самых вялікіх сонечных успышак зафіксаванай гісторыі. Успышка пашкодзіла сонечныя батарэі, тым самым знізіўшы іх выхад. Мала таго, што ўспышка зняла адзін з чатырох іённых рухавікоў касмічнага карабля. У выніку місія павінна была скараціцца.

Касмічны карабель JAXA Hayabusa ў горадзе Ітокава. Крыніца: Планетарнае таварыства

Празмернае выпраменьванне пашкоджвала развязкі ў сонечных элементах, а таксама выклікала непакой пры распрацоўцы Юноны, касмічны апарат НАСА ў цяперашні час знаходзіўся на арбіце Юпітэра бліжэй, чым любы касмічны карабель, які ішоў да яго. Інжынеры ведалі, што сонечныя батарэі з часам будуць дэградаваць з-за інтэнсіўнага выпраменьвання Джовіяна. Рызыка была зведзена да прымальных узроўняў пры выкарыстанні шкла на сонечнай панэлі ў два разы таўшчынёй, чым звычайна, і павелічэнні памеру сонечнай панэлі для большай магутнасці.

4. Радыяцыйная загартоўка з выкарыстаннем кампутараў RAD

Адным з апошніх пакаленняў (у касмічным выражэнні) выпраменьваных чыпаў з'яўляецца 32-разрадны RAD750 фірмы BAE, заснаваны на PowerPC 750, распрацаваны IBM. Ён прызначаны для мінімізацыі страт нават пры ўздзеянні экстрэмальнага выпраменьвання ад сонечных выбліскаў. Маючы больш шырокі тэмпературны дыяпазон і 10-кратную прадукцыйнасць у параўнанні з RAD6000 папярэдняга пакалення, RAD750 выкарыстоўваўся ў больш чым 150 касмічных місіях з моманту яго даступнасці, уключаючы ўпадабаны ўсім марскі ровер Curiosity.

Цікаўнасць ровер-сэлф на гары Шарп. Крыніца: НАСА

Некаторыя з іншых папулярных касмічных місій, якія працуюць на RAD750s, ўключаюць Месяцовы разведвальны арбітр, касмічны тэлескоп Kepler, Абсерваторыю Solar Dynamics і, вядома, касмічны карабель Juno. Кожны RAD750 каштуе каля 200 000 долараў.

Як адзначалася раней, усе крытычныя заданні маюць залішнія модулі. Ровер Curiosity мае два працэсарных працэсара RAD750, адзін з якіх выконвае функцыю рэзервовага капіявання, які ўзяў на сябе ролю, калі першы сутыкнуўся з праблемамі флэш-сховішчы.

5. Справа Юноны і Юпітэра

Прызначаная для вывучэння палюсоў Юпітэра і бліжэй да планеты, чым любы касмічны карабель да яе, Юнона сутыкаецца з праблемамі. Аказваецца, што з выкарыстаннем індывідуальна выпрабаваных кампанентаў касмічнага класа, аднаго з найбольш радыяцыйных працэсараў і выкарыстання лішніх кампанентаў, усё яшчэ недастаткова, каб сутыкнуцца з суровым асяроддзем побач з Юпітэрам, планетай з самай вялікай магнітасферай у Сонечнай сістэме.

1 - уражанне касмічнага карабля Juno з вялікіх (і тоўстых) сонечных батарэй. Крыніца: НАСА. 2 - Арбіта Юноны становіцца надзвычай блізкай да Юпітэра для дасягнення сваіх навуковых задач, падвяргаючы яго ўздзеянню небяспечных радыяцыйных паясоў. Крыніца: сайт Juno

CPU RAD750 распрацаваны, каб самастойна вытрымліваць да 1 мільёна радыеактыўных выпраменьванняў, што выдатна. Але чакаецца, што місія падвергне кампаненты Juno да 20 мільёнаў радыяцый. Гэта даволі інтэнсіўна.

Для абароны электронных кампанентаў інжынеры пабудавалі ахоўны тытанавы бранявы шчыт з бакамі таўшчынёй 1 см. Гэты кубічны скляпенне памяншае ўздзеянне радыяцыйных электронных кампанентаў у 800 разоў.

Інжынеры НАСА JPL, якія ўсталёўваюць Juno Radiation Vault, распрацаваны для абароны сваіх электронных кампанентаў пры знаходжанні ў інтэнсіўных умовах Jovian. Крыніца: НАСА

Шчыт настолькі важны для функцыянавання Juno, што ён атрымаў сваю назву - Juno Radiation Vault.

"Без свайго ахоўнага шчыта або радыяцыйнага сховішча мозг Юноны пасварыўся б пры першым праходзе ля Юпітэра"
- Скот Болтан, галоўны следчы Юноны

Ужо тады, як чакаецца, Юнона перастане функцыянаваць у канцы гэтага года з-за шматлікіх блізкіх пераходаў да Юпітэра на працягу двухгадовага пралёту. Напамін пра тое, што месца складана.

Але гэта варта вывучыць.