Diseño para el Mercado Mil-aero—Satélites

Al igual que los productos desarrollados para aplicaciones navales, los satélites están sujetos a condiciones ambientales específicas que deben abordarse durante el ciclo de desarrollo del producto. Desde circuitos integrados endurecidos contra radiación hasta tubos de calor y un énfasis extremo en la fiabilidad, las PCB diseñadas para su uso en satélites están sometidas a problemas operativos extraordinarios. Este artículo describirá los desafíos asociados con el diseño de PCBs utilizadas en satélites y la singularidad de ese entorno de diseño.

No son muchos, pero son muy caros

Al igual que en las aplicaciones navales, las PCBs desarrolladas para satélites se caracterizan por ser muy caras y de bajos volúmenes. Además, el número de fabricantes y ensambladores que pueden construir estos productos es muy especializado y limitado.

Nota: cuando hablo de satélites militares-aeroespaciales, me refiero a los que se utilizan para vigilancia y los que se usan para apoyar una enorme red de comunicaciones. Por ejemplo, el GPS fue creado originalmente para el ejército y ellos todavía mantienen este sistema hoy en día.

El alto costo de las PCBs de satélites es un hecho dado por la tecnología incorporada en ellas, así como los bajos volúmenes mencionados anteriormente. Además, estas PCBs tienden a ser específicas del proyecto, por lo que es poco probable que una PCB construida para un satélite/programa pueda transferirse fácilmente a otro.

Como se mencionó anteriormente, en los programas militares y aeroespaciales, la cantidad de papeleo asociado con la construcción de una PCB puede ser el doble del costo de la placa en sí. Además, los fabricantes y ensambladores de placas deben estar certificados para proyectos militares y aeroespaciales, lo que representa una propuesta intensa en tiempo, trabajo y costo.

Mira, en el cielo: Es un pájaro, es un avión, es un satélite

En términos de problemas de integridad de señal para satélites, son los mismos que en cualquier otro entorno de aplicación porque se utiliza el mismo nivel de tecnología (componentes IC), con algunas implementaciones específicas. Además, los satélites contienen todos los mismos procesadores de alto rendimiento, productos de microondas y radios RF que se utilizan para otras implementaciones de productos.

Los desafíos específicos del entorno encontrados en el desarrollo de PCBs para satélites incluyen:

• Las PCBs deben poder sobrevivir al choque del lanzamiento.
• Los ICs necesitan ser endurecidos contra radiación.
• Los productos finales necesitan ser de peso mínimo.
• Hay restricciones severas de consumo de energía.
• Hay requisitos de enfriamiento aumentados.
• La fiabilidad es una gran preocupación.

Abordaré estos desafíos en orden.

Choque de Lanzamiento

Los criterios de choque de lanzamiento son prácticamente un hecho cuando se tiene en cuenta los multi-megatones de empuje necesarios para levantar un misil de una plataforma de lanzamiento. Similar a ser capaz de resistir operaciones en un ambiente altamente corrosivo para la marina, en los satélites, los paquetes de PCB pueden parecer como si hubieran sido sobrediseñados y construidos en exceso. Las razones son bastante claras. Si un PCB sufre algún daño durante el proceso de lanzamiento, no hay forma de repararlo una vez que está en el espacio.

Endurecimiento contra radiación

El endurecimiento contra radiación es el proceso de asegurar que los componentes electrónicos y circuitos sean resistentes al daño o malfuncionamientos causados por altos niveles de radiación ionizante, como la radiación de partículas y la radiación electrónica de alta energía que se encuentra en el espacio exterior. Los PCB deben ser diseñados de tal manera que acomoden fácilmente los ICs endurecidos contra radiación.

Los ICs están endurecidos contra radiación cuando una capa delgada de silicio se cultiva sobre una oblea de zafiro. (Este proceso es conocido como SOS, o silicio sobre zafiro). El silicio generalmente se deposita por la descomposición de gas silano en un sustrato de zafiro calentado. El zafiro es un excelente aislante eléctrico que previene que las corrientes de radiación errantes se propaguen a elementos de circuito cercanos. Todos los ICs utilizados en satélites están endurecidos contra radiación.

También debe señalarse que todos los satélites militares están diseñados de tal manera que pueden sobrevivir a un EMP (pulso electromagnético). Un EMP es un choque de energía enorme similar al que genera un rayo. Esto es lo que causa el sonido estático en una radio. Cuando un EMP impacta un satélite, puede destruir la electrónica dentro del satélite induciendo voltajes muy altos en los cables. La solución para esto son las fibras ópticas que ahora se incorporan en los satélites y en la mayoría de los nuevos aviones.

Consideraciones de Peso

Toda la tecnología incorporada en un satélite necesita ser de peso mínimo—desde las PCBs y los componentes incorporados en ellas. Los ingenieros involucrados en el desarrollo de tecnología satelital examinan cada aspecto de un satélite para asegurar que cumple con los requisitos de peso especificados. También buscan formas de reducir el peso siempre y cuando sea posible.

Consumo de Energía

El objetivo de consumo de energía para todos los satélites es consumir tan poca energía como sea posible durante el mayor tiempo posible. Todos los satélites que están en órbita terrestre son alimentados por energía solar. Esto significa que tienen que tener algunas baterías que suministren energía cuando el satélite está detrás de la tierra. También significa que tiene que haber un sistema de gestión de energía bastante elegante.

Aquellos satélites que abandonan la órbita terrestre, así como aquellos que tienen que trabajar en el lado oscuro de la luna, son alimentados por energía nuclear. Esto se logra teniendo miles de parejas térmicas que están todas conectadas entre sí y rodean un núcleo nuclear caliente.

Requisitos de Enfriamiento

El enfriamiento de los circuitos integrados (ICs) en los satélites normalmente se realiza con tubos de calor. La tecnología de tubos de calor en realidad se originó con los satélites. Un tubo de calor se crea teniendo una placa metálica que tiene tubería en su interior y se coloca en la parte superior de un IC. La tubería conduce a un área abierta donde hay otra placa grande. Dentro del tubo, hay una malla y un líquido. Este líquido se elige de tal manera que el calor del IC lo convierte en vapor. El vapor va por el centro del tubo hacia el otro extremo donde se condensa de nuevo en líquido y luego regresa en la malla hacia el otro extremo donde el ciclo se repite. El uso de tubos de calor en los ICs se ha expandido mucho más allá de la tecnología satelital. Por ejemplo, si no fuera por los tubos de calor, algunos de los ICs en productos de Internet no funcionarían correctamente debido a niveles de potencia muy altos.

En aquellos casos en los que no se pueden utilizar tubos de calor, como cuando hay un CI muy grande, se pueden añadir capas extra de cobre en la PCB para crear un disipador de calor. Las capas adicionales de metal dentro de la PCB trabajan para conducir el calor lejos del CI.

Preocupaciones sobre la fiabilidad

Cuando se trata de problemas de fiabilidad, los MTBFs tienen que ser muy altos. Esto incluye todos los componentes del satélite, como el vehículo en sí, así como la tecnología incorporada en él, hasta llegar a las PCBs. La expectativa de vida típica para un satélite de comunicaciones es de 10 años. El desafío es que los paneles solares se degradan mientras que el resto de los componentes del satélite permanecen intactos y funcionales. En el caso de los satélites geoestacionarios utilizados para la televisión, tienen pequeños motores cohete que pueden ser activados cuando comienzan a desviarse de su posición. Al activar los motores cohete, los satélites pueden ser devueltos a sus posiciones exactas. En estos casos, la vida del satélite termina cuando esos motores se quedan sin combustible. Dado que los costos de reparar estos satélites no son razonables, es más fácil simplemente enviar nuevos satélites.

Observaciones

Como seres humanos, tenemos una fascinación innata por el espacio. Desde el comienzo de la Carrera Espacial a finales de los años 50, hemos dirigido nuestra mirada hacia arriba casi con incredulidad para observar esos pedazos de hardware que el hombre ha puesto en el espacio mientras vuelan sobre nosotros en la Tierra. Lee Ritchey, fundador y presidente de Speeding Edge, construyó las primeras radios que se dejaron en la luna como parte del programa Apolo. Tuve la gran fortuna de servir como ingeniero de CDM (Gestión de Datos de Configuración) para el complejo de lanzamiento del Transbordador Espacial que estaba casi terminado en la Base de la Fuerza Aérea de Vandenberg en la costa central de California a mediados de los 80. Varios años después, fui el consultor de relaciones públicas para Wind River Systems cuando la tecnología de software VxWorks de la compañía estaba guiando la primera nave espacial exploratoria Pathfinder a Marte en 1997. La NASA se centró en utilizar tecnología COTS (comercial disponible) para el proyecto. El ordenador a bordo del Pathfinder consistía en una CPU IBM RISC 6000 endurecida contra radiación con VxWorks de Wind River como sistema operativo. El rover marciano robótico con ruedas, Sojourner, fue el primer rover en operar fuera del sistema Tierra-Luna. Para ambos, nuestras experiencias trabajando en esfuerzos del programa espacial están entre los puntos más altos de nuestras carreras.

Resumen

El diseño y fabricación de PCBs utilizados en satélites deben tener en cuenta una serie de parámetros ambientales y de rendimiento que son específicos para las operaciones espaciales. Un entendimiento profundo de estos parámetros puede ayudar a asegurar que no solo el PCB funcionará correctamente la primera vez, sino cada vez a lo largo de toda la vida útil del satélite.

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