Cân nhắc thiết kế cho thiết bị điện tử trong không gian [đóng]


8

Những hạn chế bổ sung nào chúng ta phải đối mặt khi thiết kế các thiết bị điện tử / microsystem để sử dụng trên quỹ đạo?

Những loại kỹ thuật che chắn được sử dụng? Có phải là thông thường để đặt tất cả các thiết bị điện tử trong một lồng xa, hoặc các phương pháp che chắn khác được ưa thích?

Các thành phần cấp không gian vũ trụ đã được thử nghiệm như thế nào và độ tin cậy của chúng xếp chồng lên nhau như thế nào so với các bộ phận 'ngoài giá'? Các thành phần tiêu chuẩn được bảo vệ đúng có thể cạnh tranh từ quan điểm độ tin cậy?

Những loại hỗ trợ / giằng / giảm xóc cơ học nào được sử dụng để bảo vệ hệ thống điện trong quá trình cất cánh / hạ cánh và cho ứng suất nhiệt cao dự kiến?


2
Một số thứ dễ dàng hơn trong không gian. Truyền vô tuyến giữa các tàu vũ trụ có thể dự đoán được nhiều hơn và "mờ dần" là gần như không tồn tại.
Andy aka

Loại bỏ các điểm về che chắn cụ thể, thống kê độ tin cậy và các giải pháp cơ học cụ thể có thể thu hẹp câu hỏi này để có thể trở lại IMO.
Grebu

Grebu bản gốc được gắn cờ là quá rộng. Mặc dù tôi đồng ý với tình cảm, có rất ít câu trả lời liên quan cụ thể đến lĩnh vực này - tôi cũng thích nó rộng hơn. Có lẽ tôi sẽ quay lại và làm lại một chút.
RYS

Câu trả lời:


16

Đây là những gì tôi làm! Nhiều, rất nhiều cuốn sách xuất sắc đã được viết về chủ đề này, nhưng như một danh sách gạch đầu dòng ngắn gọn, đặc biệt tập trung vào các hệ thống nhúng để sử dụng không gian:

  • Nói chung, chúng tôi sử dụng nhiều thực tiễn thiết kế có độ tin cậy cao đã học được qua nhiều thập kỷ bài học khó học từ quốc phòng, hàng không và thậm chí cả ô tô (bộ điều khiển phanh, ABS). Điều này bao gồm các phương pháp chống lỗi (dự phòng n, không an toàn, v.v.), phân tích nghiêm ngặt và kiểm soát chất lượng phần mềm và phần cứng và tuân thủ nhiều tiêu chuẩn được viết về chủ đề này (Đặc biệt quan trọng nếu bạn làm việc cho truyền thống môi trường không gian).

  • Đối với các thiết bị điện tử cụ thể, bức xạ ion hóa và thiếu từ trường Trái đất là một vấn đề lớn. Khi quá đơn giản hóa, chúng ta có thể chia thành hai loại: tổng liều ion hóa (TID)các hiệu ứng đơn lẻ . Cả hai đều có các biện pháp giảm thiểu từ việc ném rất nhiều tiền vào phần cứng chuyên dụng và các giải pháp thiết kế / phần mềm thông minh có thể giảm thiểu các hiệu ứng đủ theo cách rẻ hơn nhiều.

  • TID chính xác như những gì nó nghe - theo thời gian, bạn tích lũy thiệt hại từ bức xạ ion hóa và cuối cùng chất bán dẫn của bạn không còn trở thành chất bán dẫn. Các hiệu ứng khác nhau rất nhiều dựa trên kích thước quá trình, trang điểm và nhiều hiệu ứng cấp thiết bị khác nhưng các hiệu ứng bạn có thể thấy bao gồm sự thay đổi điện áp ngưỡng MOSFET - hình ảnh một MOSFET kênh N mà Vt từ từ trôi xuống cho đến khi nó luôn bật. Một số quy trình cực kỳ khó khăn đã được phát triển để hỗ trợ số lượng rất cao - nhiệm vụ Juno định mệnh của sao Mộc có một số phần cứng đáng kinh ngạc bên trong một kho tiền khổng lồ, theo nghĩa đen .

  • Một lưu ý phụ về TID, vì tất nhiên các hiệu ứng bức xạ cũng được quan tâm cho các ứng dụng trên mặt đất như vũ khí hạt nhân, thử nghiệm thường được thực hiện ở mức liều cao và thấp. Một số thiết bị bán dẫn thể hiện kết quả khác nhau cho cả hai - ví dụ, một bài báo mà tôi đọc đã chịu LDO ở cả tỷ lệ liều cao và liều thấp. Người ta đã làm suy giảm mạch khe hở Brokaw, làm giảm điện áp đầu ra theo thời gian. Cái khác làm suy giảm beta của bóng bán dẫn đầu ra, làm giảm dòng điện đầu ra theo thời gian.

  • Các hiệu ứng đơn sự kiện thực sự cũng có thể được quan sát trên Trái đất - hầu hết mọi người đều quen thuộc với các bộ nhớ ECC DDR cho các ứng dụng quan trọng, chẳng hạn. Ngoài ra, hầu hết các máy bay thương mại phải tính đến điều này do độ cao hoạt động của chúng đủ cao để các neutron năng lượng cao có thể gây ra sự cố mạch điện tử. Điều này thường được gọi là 'bit-flips' - một hạt năng lượng di chuyển qua một mạch, truyền một năng lượng truyền năng lượng tuyến tính (LET) có thể đủ để gây ra một bit-upset (SEU), một điều kiện chốt ( SEL) dẫn đến rút ra dòng điện cao do hành vi BJT ký sinh, vỡ cổng MOSFET (SEGR) và kiệt sức (SEB). Bạn có thể phân loại rộng rãi bất kỳ sự kiện nào dẫn đến lỗi hệ thống là SEFI - ngắt chức năng một sự kiện.

  • Tôi sẽ gọi ra chốt cụ thể. Có các thông số kỹ thuật trên mặt đất cho chốt cửa nằm trong JESD78, nhưng chúng không được thiết kế cho các điều kiện chốt do bức xạ gây ra. Cơ chế tương tự giữa hai cấu trúc NPN ký sinh có thể được cấp năng lượng trong cấu trúc CMOS thông thường, khiến đường dẫn trở kháng thấp từ nguồn điện đến mặt đất được tạo ra. Điều này tất nhiên sẽ dẫn đến một lượng lớn dòng điện chạy qua một phần của con chip không bao giờ được thiết kế cho nó. Ghi nhớ các dây liên kết mật độ hiện tại và các phần khác nhau của khuôn được thiết kế cho, nếu tình huống này không được khắc phục, con chip đó sẽ chết một cái chết dữ dội. Một giảm thiểu phổ biến là một cảm biến dòng ngược dòng phản ứng để cắt nguồn điện và loại bỏ chốt.

  • Về phần mềm và bộ xử lý, tôi chắt lọc nó thành hai vấn đề chính. Một là bảo vệ bộ nhớ dễ bay hơi - các tệp đăng ký, RAM (SRAM / DRAM), v.v ... Thật không may nếu đăng ký PC của bạn lấy SEU và đột nhiên bỏ qua một nơi khác. Thứ hai, là bảo vệ không dễ bay hơi bộ nhớ - phần mềm của bạn là vô dụng nếu nó bị hỏng và không thể thực thi. Bảo vệ dễ bay hơi thông thường là ECC (thường là SECDED) cộng với việc cọ rửa liên tục cho các lỗi. Đối với không dễ bay hơi, nó khó hơn nhiều - bộ nhớ lớn được mua rất đắt, cực kỳ gây hại cho các nhiệm vụ khoa học của NASA / ESA. Một số người sử dụng dự phòng n, những người khác sử dụng các công nghệ cứng như MRAM hoặc FRAM (ở một mức độ nào đó cho công việc COTS) và những người khác trả cho các nhà cung cấp lên đến sáu con số để lưu trữ quan trọng, có độ tin cậy cao.

  • Về mặt cơ học, ít nhất là trong quỹ đạo LEO, bạn sẽ đạp xe nhiệt giữa mặt trời và bóng tối cứ sau 45 phút. Điều này ngoài việc cần phải sống sót qua sự khắc nghiệt của việc phóng - các đồng nghiệp cơ khí của tôi cũng có một loạt các yêu cầu mà họ thiết kế (tôi tin rằng một phần của nó là GEVS ) để đảm bảo chúng tôi sống sót trong vụ phóng tên lửa G cao. Họ thực hiện một số lượng phân tích và thử nghiệm trước khi ra mắt ấn tượng để đảm bảo chúng tôi không trở thành những mảnh flotsam trên đường đi lên. Trong lắp ráp, chúng tôi tránh sử dụng chất hàn không chì và lớp phủ phù hợp tất cả các cụm điện.

  • Nhiệt độ, không có đối lưu trong không gian. Đối với các IC công suất cao, con đường duy nhất để truyền nhiệt là bức xạ và dẫn. Thiết kế tản nhiệt thú vị phải được xem xét để loại bỏ nhiệt hiệu quả khỏi thiết bị chỉ bằng hai phương pháp đó. Ngoài ra, thử nghiệm trên mặt đất trở thành phần cứng bởi vì bạn không chỉ cần buồng nhiệt mà còn cần cả buồng chân không. Dưới đây là một số hình ảnh về các phòng TVAC của JPL.

  • Làm việc trong "không gian mới", nơi mọi người không xây dựng những con chim GEO / MEO khổng lồ hỗ trợ các nhu cầu thương mại hoặc an ninh quốc gia quan trọng, thường các bộ phận COTS được bay sau khi trải qua thử nghiệm / phân tích trên mặt đất để xem giá của chúng như thế nào. Mặc dù người ta có thể mua một cổng 74xx00 quad-NAND có thể bay được vài trăm krad với giá vài trăm đô la, một số người có thể kiểm tra rất nhiều 74LVC00 hoặc các bộ phận tương tự để xem giá vé của họ như thế nào. Đó là tất cả trong số lượng rủi ro bạn sẵn sàng chịu đựng.

Nền tảng của tôi là thiết kế ô tô, tiêu dùng và điện tử công nghiệp, trước khi tôi bước vào công việc vũ trụ. Vì vậy, thường thì quá trình suy nghĩ của tôi là "người đàn ông, tôi sẽ sử dụng thứ nguyên khối, năng lượng thấp, tuyệt vời của phần nghệ thuật! Ôi, chờ đợi - không gian." Điều đó thường được thay thế bằng cách suy nghĩ về mức độ rời rạc và mức độ tối thiểu hóa mà tôi có thể tạo ra giải pháp đó để ổn định các thành phần chịu bức xạ hoặc làm cứng bức xạ dựa trên kiến ​​thức (từ thử nghiệm hoặc dự đoán dựa trên công nghệ xử lý) hiệu suất.

Một số sách / tài nguyên tốt để đọc:

Nếu câu trả lời này thu hút được nhiều sự quan tâm hơn, tôi có thể sẽ quay lại để điền nó / chỉnh sửa nó để sạch hơn.


Đây là những gì tôi đang tìm kiếm. Tôi đang phỏng vấn tại một công ty hàng không vũ trụ, vì vậy thông tin này được đánh giá cao cho sự chuẩn bị. Tôi mong muốn các chỉnh sửa có thể bạn có thể làm.
RYS

+1 Nói, bạn đã tình cờ nhận được báo giá (thời gian / giá chính) trên ATmegaS128 chưa? (rad hard trong các phiên bản mil / không gian) Trong quá trình, nhưng rất muốn có một số thông tin nhanh hơn.
Spehro Pefhany

1
Tôi đã thêm một số ghi chú về các khía cạnh khác nhau của các hệ thống mà tôi làm việc - chưa thực hiện được các bản đồ họa. @SpehroPefhany Tôi chưa trích dẫn phần đó và chưa nghe tin tức về giá cả sẽ là bao nhiêu, nhưng tôi nghĩ rằng tin đồn đã đạt tối đa bốn con số. Mặc dù vậy, IIRC vẫn đủ gần với COTS ATMega, hy vọng các nhà thiết kế hệ thống có thể dễ dàng sử dụng dấu chân kép hoặc mô đun hóa để họ có thể tiết kiệm tiền bằng cách sử dụng COTS ATMegas cho một số mô-đun thử nghiệm / kỹ thuật và chỉ sử dụng dòng proto-Flow / space ATmegas trên các phương tiện bay hoặc EDU.
Krunal Desai

@KrunalDesai Cảm ơn, đó là kế hoạch của tôi - đó là hoặc sử dụng thứ gì đó thời tiền sử vì di sản chuyến bay .. <thở dài>
Spehro Pefhany

1
Có một vài lý do cho tốc độ xung nhịp tương đối thấp. Tản điện / quản lý nhiệt là mối quan tâm và nói chung đồng hồ thấp hơn sẽ làm cho điều đó dễ dàng hơn, tất cả những thứ khác là tương đương. Thứ hai, hầu hết các dung sai rad của bộ xử lý thiết kế như bạn đã nói, cũ hơn và tụt hậu so với anh em thương mại của họ. Về mặt phóng xạ, trong một số thiết kế đồ họa, độ trễ lan truyền có thể tăng lên khi tổng liều tăng lên. Tùy thuộc vào mức ký quỹ bạn có khi đóng cửa thời gian, điều này có thể gây ra vấn đề. Đóng một thiết kế 50 MHz với các ràng buộc 100 MHz mua cho bạn khoản lợi nhuận khổng lồ.
Krunal Desai

2

Cân nhắc nhiệt, cân nhắc cơ học và vượt trội nếu hoạt động trong chân không, bức xạ và các sự cố liên quan và hư hỏng, rung và sốc trong quá trình phóng, điều khiển xuất trên thiết bị và tài liệu. Khả năng hạn chế hoặc không tồn tại để thực hiện sửa chữa hoặc nâng cấp vật lý.


Tôi cũng đoán bức xạ vũ trụ.
Alper91

@ Alper91 Có, tất cả các loại phóng xạ, tùy thuộc vào tình huống.
Spehro Pefhany

Điểm mấu chốt - chỉ cần thoát
Gregory Kornblum

1
Bạn phải sử dụng các thành phần có xếp hạng "hàng không vũ trụ". Chúng đắt hơn khoảng 20 lần so với công nghiệp. Nhiều nhà sản xuất thành phần rõ ràng không làm cho các thành phần có xếp hạng như vậy.
Thầy

Do đó bạn rất hạn chế với việc lựa chọn thành phần.
Thầy
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.