Design für den Militär- und Luftfahrtmarkt – Satelliten

Ähnlich wie bei Produkten, die für maritime Anwendungen entwickelt wurden, unterliegen Satelliten spezifischen Umweltbedingungen, die während des Produktentwicklungszyklus berücksichtigt werden müssen. Von strahlungsgeschützten ICs bis hin zu Wärmerohren und einem extremen Schwerpunkt auf Zuverlässigkeit, werden PCBs, die in Satelliten verwendet werden, außergewöhnlichen Betriebsproblemen ausgesetzt. Dieser Artikel wird die Herausforderungen beschreiben, die mit dem Design von PCBs verbunden sind, die in Satelliten verwendet werden, und die Einzigartigkeit dieses Designumfelds.

Nicht sehr viele, aber sehr teuer

Ähnlich wie bei maritimen Anwendungen zeichnen sich die für Satelliten entwickelten PCBs dadurch aus, dass sie sehr teuer und in geringen Stückzahlen vorhanden sind. Darüber hinaus ist die Anzahl der Hersteller und Montagebetriebe, die diese Produkte bauen können, hochspezialisiert und begrenzt.

Hinweis: Wenn ich über militärisch-aerospace Satelliten spreche, meine ich die, die für Überwachungszwecke verwendet werden und die, die ein riesiges Kommunikationsnetzwerk unterstützen. Zum Beispiel wurde GPS ursprünglich für das Militär erstellt, und sie unterhalten dieses System auch heute noch.

Die hohen Kosten von Satelliten-PCBs sind aufgrund der in ihnen enthaltenen Technologie sowie der bereits erwähnten geringen Stückzahlen gegeben. Weiterhin tendieren diese PCBs dazu, projektspezifisch zu sein, so dass es unwahrscheinlich ist, dass ein PCB, das für einen Satelliten/ein Programm gebaut wurde, problemlos auf ein anderes übertragen werden könnte.

Wie zuvor erwähnt, können bei mil-aero Programmen die mit einem PCB-Bau verbundenen Papierarbeiten doppelt so teuer sein wie die Platine selbst. Darüber hinaus müssen Platinenhersteller und -monteure für mil-aero Projekte zertifiziert sein, was eine zeit-, arbeits- und kostenintensive Angelegenheit ist.

Schau, hoch am Himmel: Es ist ein Vogel, es ist ein Flugzeug, es ist ein Satellit

Bezüglich Signalintegritätsproblemen bei Satelliten sind diese die gleichen wie in jeder anderen Anwendungsumgebung, da dieselbe Technologieebene (IC-Komponenten) mit einigen spezifischen Implementierungen verwendet wird. Darüber hinaus enthalten Satelliten alle dieselben leistungsfähigen Prozessoren, Mikrowellenprodukte und RF-Radios wie sie für andere Produktimplementierungen verwendet werden.

Die umgebungsspezifischen Herausforderungen bei der Entwicklung von Satelliten-PCBs umfassen:

• Die PCBs müssen den Startstoß überleben können.
• Die ICs müssen strahlungsfest sein.
• Die Endprodukte müssen ein minimales Gewicht haben.
• Es gibt strenge Einschränkungen beim Stromverbrauch.
• Es gibt erhöhte Kühlungsanforderungen.
• Zuverlässigkeit ist ein großes Anliegen.

Ich werde diese Herausforderungen der Reihe nach ansprechen.

Startstoß

Die Startstoßkriterien sind praktisch gegeben, wenn man die mehreren Megatonnen Schubkraft berücksichtigt, die notwendig sind, um eine Rakete von einer Startrampe abzuheben. Ähnlich wie die Fähigkeit, in einer hochkorrosiven Umgebung für die Marine zu funktionieren, können PCB-Pakete in Satelliten so aussehen, als wären sie überdimensioniert und überkonstruiert. Die Gründe dafür sind ziemlich klar. Wenn ein PCB während des Startvorgangs beschädigt wird, gibt es keine Möglichkeit, es zu reparieren, sobald es im Weltraum ist.

Strahlungshärtung

Die Strahlungshärtung ist der Prozess, sicherzustellen, dass elektronische Komponenten und Schaltkreise resistent gegen Schäden oder Funktionsstörungen durch hohe Niveaus ionisierender Strahlung sind, wie die Teilchenstrahlung und hochenergetische elektronische Strahlung, die im Weltraum vorkommt. PCBs müssen so entworfen werden, dass sie problemlos strahlungshärtende ICs aufnehmen können.

ICs sind strahlungshärtend, wenn eine dünne Schicht Silizium auf einem Saphirwafer gewachsen wird. (Dieser Prozess ist als SOS bekannt, oder Silizium auf Saphir). Das Silizium wird üblicherweise durch die Zersetzung von Silan-Gas auf einem erhitzten Saphirsubstrat abgeschieden. Saphir ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator, der verhindert, dass streunende Strahlungsströme sich auf benachbarte Schaltungselemente ausbreiten. Alle in Satelliten verwendeten ICs sind strahlungshärtend.

Es sollte auch beachtet werden, dass alle Militärsatelliten so konzipiert sind, dass sie einem EMP (elektromagnetischen Puls) standhalten können. Ein EMP ist ein riesiger Energieschock, ähnlich dem, der durch einen Blitzschlag erzeugt wird. Dies ist es, was in einem Radio statische Geräusche verursacht. Wenn ein EMP einen Satelliten trifft, kann er die Elektronik innerhalb des Satelliten durch das Induzieren sehr hoher Spannungen in den Drähten zerstören. Die Lösung dafür sind die Glasfasern, die nun in Satelliten und den meisten neuen Flugzeugen eingebaut sind.

Gewichtsüberlegungen

Alle in einem Satelliten integrierten Technologien müssen ein minimales Gewicht haben – bis hinunter zu den PCBs und den darauf verbauten Komponenten. Die Ingenieure, die an der Entwicklung der Satellitentechnologie beteiligt sind, untersuchen jeden Aspekt eines Satelliten, um sicherzustellen, dass er die spezifizierten Gewichtsanforderungen erfüllt. Sie suchen auch nach Möglichkeiten, das Gewicht überall und jederzeit zu reduzieren.

Stromverbrauch

Das Ziel für den Stromverbrauch aller Satelliten ist es, so wenig Strom wie möglich über den längstmöglichen Zeitraum zu verbrauchen. Alle Satelliten, die sich in der Erdumlaufbahn befinden, werden mit Solarenergie betrieben. Das bedeutet, dass sie einige Batterien haben müssen, die Strom liefern, wenn der Satellit sich hinter der Erde befindet. Es bedeutet auch, dass es ein ziemlich elegantes Energiemanagementsystem geben muss.

Die Satelliten, die die Erdumlaufbahn verlassen, sowie jene, die auf der dunklen Seite des Mondes arbeiten müssen, werden mit Kernenergie betrieben. Dies wird erreicht, indem tausende von Thermoelementen verwendet werden, die alle miteinander verbunden sind und einen heißen Kernreaktor umgeben.

Kühlungsanforderungen

Die Kühlung der ICs auf Satelliten erfolgt normalerweise mit Wärmerohren. Die Technologie der Wärmerohre hat ihren Ursprung tatsächlich bei Satelliten. Ein Wärmerohr wird hergestellt, indem eine Metallplatte verwendet wird, die innen Rohre hat und auf die Oberseite eines ICs gesetzt wird. Die Rohre führen zu einem offenen Bereich, wo sich eine weitere große Platte befindet. Im Inneren des Rohrs befindet sich ein Netz und eine Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit wird so gewählt, dass die Wärme des ICs sie in einen Dampf verwandelt. Der Dampf geht durch die Mitte des Rohrs zum anderen Ende, wo er wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert und dann im Netz zum anderen Ende zurückgeht, wo sich der Zyklus wiederholt. Die Verwendung von Wärmerohren bei ICs hat sich weit über die Satellitentechnologie hinaus ausgedehnt. Zum Beispiel würden einige der ICs in Internetprodukten ohne Wärmerohre aufgrund sehr hoher Leistungsniveaus nicht ordnungsgemäß funktionieren.

In den Fällen, in denen Wärmerohre nicht verwendet werden können, wie bei einem sehr großen IC, können zusätzliche Kupferschichten in die PCB eingefügt werden, um einen Kühlkörper zu schaffen. Die zusätzlichen Metallschichten innerhalb der PCB arbeiten daran, die Wärme vom IC wegzuleiten.

Zuverlässigkeitsbedenken

Wenn es um Zuverlässigkeitsprobleme geht, müssen die MTBFs (Mean Time Between Failures) sehr hoch sein. Dies umfasst alle Komponenten des Satelliten, wie das Fahrzeug selbst sowie die darin integrierte Technologie bis hinunter zu den PCBs. Die typische Lebenserwartung für einen Kommunikationssatelliten beträgt 10 Jahre. Die Herausforderung besteht darin, dass die Solarpaneele sich abnutzen, während der Rest der Satellitenkomponenten intakt und funktionsfähig bleibt. Im Fall der geosynchronen Satelliten, die für das Fernsehen verwendet werden, gibt es kleine Raketentriebwerke an ihnen, die gezündet werden können, wenn sie beginnen, aus ihrer Position zu driften. Durch das Zünden der Raketentriebwerke können die Satelliten wieder in ihre exakten Positionen gebracht werden. In diesen Fällen läuft die Lebensdauer des Satelliten ab, wenn diesen Motoren der Treibstoff ausgeht. Da die Kosten für die Reparatur dieser Satelliten nicht vernünftig sind, ist es einfacher, einfach neue Satelliten hochzusenden.

Beobachtungen

Als Menschen haben wir eine angeborene Faszination für den Weltraum. Seit dem Beginn des Weltraumrennens Ende der 50er Jahre haben wir fast ungläubig nach oben geblickt, um jene Gerätschaften zu beobachten, die der Mensch ins All geschickt hat, während sie über uns auf der Erde hinwegfliegen. Lee Ritchey, Gründer und Präsident von Speeding Edge, baute die ersten Radios, die als Teil des Apollo-Programms auf dem Mond zurückgelassen wurden. Ich hatte das große Glück, als CDM (Configuration Data Management) Ingenieur für den nahezu fertiggestellten Space Shuttle Startkomplex auf der Vandenberg Air Force Base an der Zentralküste Kaliforniens Mitte der 80er Jahre zu arbeiten. Einige Jahre später war ich der PR-Berater für Wind River Systems, als die VxWorks Softwaretechnologie des Unternehmens 1997 das erste Pathfinder-Erkundungsraumschiff zum Mars leitete. Die NASA konzentrierte sich darauf, COTS (Commercial Off-The-Shelf) Technologie für das Projekt zu verwenden. Der Computer an Bord des Pathfinder bestand aus einem strahlungsgeschützten IBM RISC 6000 CPU mit Wind Rivers VxWorks als Betriebssystem. Der rollende Marsrover, Sojourner, war der erste Rover, der außerhalb des Erd-Mond-Systems operierte. Für uns beide gehören unsere Erfahrungen in der Arbeit an Raumfahrtprogrammen zu den Höhepunkten unserer Karrieren.

Zusammenfassung

Design und Herstellung von PCBs, die in Satelliten verwendet werden, müssen eine Reihe von Umwelt- und Leistungsparametern berücksichtigen, die spezifisch für Weltraumoperationen sind. Ein gründliches Verständnis dieser Parameter kann helfen sicherzustellen, dass die PCB nicht nur beim ersten Mal richtig funktioniert, sondern auch jedes Mal während der gesamten Lebensdauer des Satelliten.

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