Conception pour le marché militaire et aérospatial—Satellites

Similaire aux produits développés pour les applications navales, les satellites sont soumis à des conditions environnementales spécifiques qui doivent être prises en compte durant le cycle de développement du produit. Des circuits intégrés durcis aux radiations aux caloducs, en passant par une emphase extrême sur la fiabilité, les PCB conçus pour être utilisés dans les satellites sont soumis à des problèmes opérationnels extraordinaires. Cet article décrira les défis associés à la conception de PCB utilisés dans les satellites et l'unicité de cet environnement de conception.

Peu nombreux, mais très coûteux

À l'instar des applications navales, les PCB développés pour les satellites sont caractérisés par leur coût très élevé et leurs faibles volumes. De plus, le nombre de fabricants et d'assembleurs capables de construire ces produits est très spécialisé et limité.

Note : lorsque je parle de satellites militaro-aérospatiaux, il s'agit de ceux utilisés pour la surveillance et ceux utilisés pour soutenir un vaste réseau de communications. Par exemple, le GPS a été initialement créé pour l'armée et ils maintiennent encore ce système aujourd'hui.

Le coût élevé des PCB pour satellites est une évidence en raison de la technologie incorporée dans ceux-ci ainsi que des faibles volumes mentionnés précédemment. De plus, ces PCB tendent à être spécifiques à un projet, il est donc peu probable qu'un PCB construit pour un satellite/programme puisse être facilement transféré à un autre.

Comme mentionné précédemment, dans le cadre des programmes militaires et aérospatiaux, la quantité de documents associée à la fabrication d'un PCB peut être le double du coût de la carte elle-même. De plus, les fabricants et les assembleurs de cartes doivent être certifiés pour les projets militaires et aérospatiaux, ce qui représente une proposition intense en temps, en travail et en coûts.

Regardez, dans le ciel : C'est un oiseau, c'est un avion, c'est un satellite

En termes de problèmes d'intégrité de signal pour les satellites, ils sont les mêmes que dans tout autre environnement d'application car le même niveau de technologie (composants IC), avec certaines mises en œuvre spécifiques, est utilisé. De plus, les satellites contiennent tous les mêmes processeurs de performance, produits micro-ondes et radios RF que ceux utilisés pour d'autres mises en œuvre de produits.

Les défis spécifiques à l'environnement rencontrés dans le développement des PCBs pour satellites incluent :

• Les PCBs doivent pouvoir survivre au choc du lancement.
• Les ICs doivent être durcis contre les radiations.
• Les produits finaux doivent être de poids minimum.
• Il y a des restrictions sévères de consommation d'énergie.
• Il y a des exigences de refroidissement accrues.
• La fiabilité est une préoccupation majeure.

Je vais aborder ces défis dans l'ordre.

Choc du Lancement

Les critères de choc au lancement sont pratiquement une évidence lorsque l'on prend en compte les multi-mégatonnes de poussée nécessaires pour soulever un missile d'une aire de lancement. Tout comme le fait de pouvoir résister à un fonctionnement dans un environnement hautement corrosif pour la marine, dans les satellites, les emballages de PCB peuvent sembler surdimensionnés et surconstruits. Les raisons sont assez claires. Si un PCB subit des dommages pendant le processus de lancement, il n'y a aucun moyen de le réparer une fois qu'il est dans l'espace.

Rad-hardening

Le durcissement aux radiations est le processus qui assure que les composants et circuits électroniques sont résistants aux dommages ou dysfonctionnements causés par des niveaux élevés de radiation ionisante, telle que la radiation particulaire et la radiation électronique de haute énergie que l'on trouve dans l'espace. Les PCB doivent être conçus de manière à accommoder facilement les CI Rad-hardened.

Les CI sont Rad-hardened lorsqu'une fine couche de silicium est cultivée sur une plaquette de saphir. (Ce processus est connu sous le nom de SOS, ou silicium sur saphir). Le silicium est généralement déposé par la décomposition du gaz silane sur un substrat de saphir chauffé. Le saphir est un excellent isolant électrique qui empêche les courants de radiation errants de se propager aux éléments de circuit voisins. Tous les CI utilisés dans les satellites sont Rad-hardened.

Il convient également de noter que tous les satellites militaires sont conçus de manière à pouvoir survivre à une impulsion électromagnétique (EMP). Une EMP est un choc d'énergie énorme similaire à celui généré par une décharge de foudre. C'est ce qui provoque le bruit statique dans une radio. Lorsqu'une EMP frappe un satellite, elle peut détruire l'électronique à l'intérieur du satellite en induisant des tensions très élevées dans les fils. La solution à ce problème réside dans les fibres optiques qui sont désormais intégrées dans les satellites et la plupart des nouveaux avions.

Considérations de poids

Toute la technologie intégrée dans un satellite doit être de poids minimum—jusqu'aux PCBs et aux composants incorporés sur ceux-ci. Les ingénieurs impliqués dans le développement de la technologie satellitaire examinent chaque aspect d'un satellite pour s'assurer qu'il satisfait aux exigences de poids spécifiées. Ils recherchent également des moyens de réduire le poids partout et chaque fois que possible.

Consommation d'énergie

L'objectif de consommation d'énergie pour tous les satellites est de consommer le moins d'énergie possible pendant la plus longue durée possible. Tous les satellites en orbite terrestre sont alimentés par l'énergie solaire. Cela signifie qu'ils doivent avoir des batteries qui fournissent de l'énergie lorsque le satellite est derrière la Terre. Cela signifie également qu'il doit y avoir un système de gestion de l'énergie assez élégant.

Les satellites qui quittent l'orbite terrestre ainsi que ceux qui doivent fonctionner sur la face cachée de la lune sont alimentés par énergie nucléaire. Cela est réalisé en ayant des milliers de couples thermiques qui sont tous reliés ensemble et entourent un noyau nucléaire chaud.

Exigences de refroidissement

Le refroidissement des circuits intégrés (IC) sur les satellites se fait normalement avec des caloducs. La technologie des caloducs a en fait été initiée avec les satellites. Un caloduc est créé en ayant une plaque métallique qui contient un tubage à l'intérieur et est placée sur le dessus d'un IC. Le tubage mène à une zone ouverte où se trouve une autre grande plaque. À l'intérieur du tube, il y a un maillage et un liquide. Ce liquide est choisi de telle sorte que la chaleur de l'IC le transforme en vapeur. La vapeur se déplace au milieu du tube vers l'autre extrémité où elle se condense à nouveau en liquide, puis retourne dans le maillage vers l'autre extrémité où le cycle se répète. L'utilisation de caloducs sur les IC s'est largement étendue au-delà de la technologie satellite. Par exemple, sans les caloducs, certains des IC dans les produits Internet ne fonctionneraient pas correctement en raison de niveaux de puissance très élevés.

Dans les cas où les caloducs ne peuvent pas être utilisés, comme lorsqu'il y a un très grand CI, des couches supplémentaires de cuivre peuvent être ajoutées dans le PCB pour créer un dissipateur thermique. Les couches supplémentaires de métal à l'intérieur du PCB servent à conduire la chaleur loin du CI.

Préoccupations en matière de fiabilité

Lorsqu'il s'agit de problèmes de fiabilité, les MTBF doivent être très élevés. Cela inclut tous les composants du satellite, tels que le véhicule lui-même ainsi que la technologie incorporée, jusqu'aux PCBs. L'espérance de vie typique pour un satellite de communication est de 10 ans. Le défi est que les panneaux solaires se dégradent tandis que le reste des composants du satellite reste intact et fonctionnel. Dans le cas des satellites géosynchrones utilisés pour la télévision, il y a de petits moteurs-fusées sur eux qui peuvent être activés lorsqu'ils commencent à dériver de leur position. En activant les moteurs-fusées, les satellites peuvent être remis dans leurs positions exactes. Dans ces cas, la durée de vie du satellite prend fin lorsque ces moteurs sont à court de carburant. Étant donné que les coûts de réparation de ces satellites ne sont pas raisonnables, il est plus facile de simplement envoyer de nouveaux satellites.

Observations

En tant qu'êtres humains, nous avons une fascination innée pour l'espace. Depuis le début de la course à l'espace à la fin des années 50, nous avons levé les yeux presque incrédules pour observer ces morceaux de matériel que l'homme a mis en orbite alors qu'ils survolent la Terre. Lee Ritchey, fondateur et président de Speeding Edge, a construit les premières radios qui ont été laissées sur la lune dans le cadre du programme Apollo. J'ai eu la grande chance de servir en tant qu'ingénieur en gestion des données de configuration (CDM) pour le complexe de lancement de la navette spatiale qui était presque achevé sur la base aérienne de Vandenberg sur la côte centrale de Californie au milieu des années 80. Plusieurs années plus tard, j'étais le consultant en relations publiques pour Wind River Systems lorsque la technologie logicielle VxWorks de l'entreprise guidait le premier vaisseau spatial d'exploration Pathfinder vers Mars en 1997. La NASA se concentrait sur l'utilisation de la technologie COTS (commercial off-the-shelf) pour le projet. L'ordinateur à bord du Pathfinder était composé d'un CPU IBM RISC 6000 durci contre les radiations avec VxWorks de Wind River comme système d'exploitation. Le rover martien à roues, Sojourner, était le premier rover à opérer en dehors du système Terre-Lune. Pour nous deux, nos expériences de travail sur les efforts du programme spatial comptent parmi les points forts de nos carrières.

Résumé

La conception et la fabrication de PCB utilisés dans les satellites doivent prendre en compte un certain nombre de paramètres environnementaux et de performance spécifiques aux opérations spatiales. Une compréhension approfondie de ces paramètres peut aider à garantir que le PCB fonctionnera correctement dès la première utilisation, mais aussi à chaque fois tout au long de la durée de vie du satellite.

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