Progettazione per il mercato militare e aerospaziale—Satelliti

Similmente ai prodotti sviluppati per applicazioni navali, i satelliti sono soggetti a condizioni ambientali specifiche che devono essere affrontate durante il ciclo di sviluppo del prodotto. Dalle IC Radhardened ai tubi di calore e un'enfasi estrema sulla affidabilità, i PCB progettati per l'uso nei satelliti sono sottoposti a problemi operativi straordinari. Questo articolo descriverà le sfide associate alla progettazione dei PCB utilizzati nei satelliti e l'unicità di quell'ambiente di progettazione.

Non Molti, Ma Molto Costosi

Similmente alle applicazioni navali, i PCB sviluppati per i satelliti sono caratterizzati dal fatto di essere molto costosi e prodotti in bassi volumi. Inoltre, il numero di fabbricanti e assemblatori in grado di costruire questi prodotti è altamente specializzato e limitato.

Nota: quando parlo di satelliti militari-aerospaziali, mi riferisco a quelli utilizzati per la sorveglianza e quelli usati per supportare una vasta rete di comunicazioni. Ad esempio, il GPS è stato originariamente creato per uso militare e ancora oggi è mantenuto da loro.

Il costo elevato dei PCB per satelliti è dato dalla tecnologia incorporata in essi così come dai già menzionati bassi volumi. Inoltre, questi PCB tendono ad essere specifici per il progetto, quindi è improbabile che un PCB costruito per un satellite/programma possa essere facilmente trasferito a un altro.

Come precedentemente notato, nei programmi mil-aero, la quantità di documentazione associata alla realizzazione di un PCB può essere doppia rispetto al costo della scheda stessa. Inoltre, i produttori e gli assemblatori di schede devono essere certificati per i progetti mil-aero e questa è una proposta intensa in termini di tempo, lavoro e costi.

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Per quanto riguarda i problemi di integrità del segnale per i satelliti, sono gli stessi di qualsiasi altro ambiente applicativo perché viene utilizzato lo stesso livello di tecnologia (componenti IC), con alcune implementazioni specifiche. Inoltre, i satelliti contengono tutti i processori di prestazioni, i prodotti per microonde e le radio RF utilizzati anche per altre implementazioni di prodotti.

Le sfide specifiche dell'ambiente incontrate nello sviluppo dei PCB per satelliti includono:

• I PCB devono essere in grado di sopravvivere allo shock del lancio.
• Gli IC devono essere rad-hardened.
• I prodotti finali devono essere di peso minimo.
• Ci sono severe restrizioni sul consumo di energia.
• Ci sono requisiti di raffreddamento potenziati.
• L'affidabilità è una preoccupazione enorme.

Affronterò queste sfide in ordine.

Shock del Lancio

I criteri di shock al lancio sono praticamente un dato di fatto quando si considerano i multi-megaton di spinta necessari per sollevare un missile dalla piattaforma di lancio. Similmente alla capacità di resistere in un ambiente altamente corrosivo per la marina, nei satelliti, i pacchetti PCB possono sembrare come se fossero stati sovradimensionati e costruiti in eccesso. Le ragioni sono abbastanza chiare. Se un PCB subisce danni durante il processo di lancio, non c'è modo di ripararlo una volta che si trova nello spazio.

Indurimento alle radiazioni

L'indurimento alle radiazioni è il processo che assicura che i componenti elettronici e i circuiti siano resistenti ai danni o ai malfunzionamenti causati da alti livelli di radiazioni ionizzanti, come la radiazione di particelle e la radiazione elettronica ad alta energia che si trova nello spazio esterno. I PCB devono essere progettati in modo da poter facilmente accomodare IC induriti alle radiazioni.

Gli IC sono induriti alle radiazioni quando uno strato sottile di silicio viene coltivato su un wafer di zaffiro. (Questo processo è noto come SOS, o silicio su zaffiro). Il silicio viene solitamente depositato dalla decomposizione del gas silano su un substrato di zaffiro riscaldato. Lo zaffiro è un eccellente isolante elettrico che impedisce alle correnti di radiazione vaganti di diffondersi agli elementi del circuito vicini. Tutti gli IC utilizzati nei satelliti sono induriti alle radiazioni.

Va anche notato che tutti i satelliti militari sono progettati in modo tale da poter sopravvivere a un impulso elettromagnetico (EMP). Un EMP è uno shock energetico enorme simile a quello generato da un fulmine. Questo è ciò che causa il suono statico in una radio. Quando un EMP colpisce un satellite può distruggere l'elettronica all'interno del satellite inducendo tensioni molto alte nei fili. La soluzione a questo problema sono le fibre ottiche che ora sono incorporate nei satelliti e nella maggior parte dei nuovi aerei.

Considerazioni sul Peso

Tutta la tecnologia incorporata in un satellite deve essere di peso minimo—fino ai PCB e ai componenti su di essi. Gli ingegneri coinvolti nello sviluppo della tecnologia satellitare esaminano ogni aspetto di un satellite per assicurarsi che soddisfi i requisiti di peso specificati. Cercano anche modi per ridurre il peso ovunque e ogni volta che è possibile.

Consumo di Energia

L'obiettivo di consumo di energia per tutti i satelliti è consumare il meno possibile per il maggior tempo possibile. Tutti i satelliti che sono in orbita terrestre sono alimentati a energia solare. Questo significa che devono avere delle batterie che forniscono energia quando il satellite si trova dietro la Terra. Significa anche che deve esserci un sistema di gestione dell'energia piuttosto elegante.

Quei satelliti che lasciano l'orbita terrestre così come quelli che devono operare sul lato oscuro della luna sono alimentati a energia nucleare. Questo è possibile grazie a migliaia di coppie termiche che sono tutte collegate insieme e circondano un nucleo nucleare caldo.

Requisiti di Raffreddamento

Il raffreddamento degli IC sui satelliti è normalmente realizzato con tubi di calore. La tecnologia dei tubi di calore ha origine proprio dai satelliti. Un tubo di calore è creato avendo una piastra metallica che contiene al suo interno dei tubi e viene posta sulla parte superiore di un IC. I tubi conducono verso un'area aperta dove si trova un'altra grande piastra. All'interno del tubo, c'è una maglia e un liquido. Questo liquido è scelto in modo tale che il calore dell'IC lo trasformi in vapore. Il vapore percorre il centro del tubo fino all'altra estremità dove si condensa nuovamente in liquido e poi ritorna nella maglia all'altra estremità dove il ciclo si ripete. L'uso dei tubi di calore sugli IC si è notevolmente espanso oltre la tecnologia satellitare. Ad esempio, se non fosse per i tubi di calore, alcuni degli IC nei prodotti Internet non funzionerebbero correttamente a causa dei livelli di potenza molto elevati.

Nei casi in cui i tubi di calore non possono essere utilizzati, come quando si ha a che fare con un IC molto grande, possono essere aggiunti strati extra di rame nella PCB per creare un dissipatore di calore. Gli strati aggiuntivi di metallo all'interno della PCB lavorano per condurre il calore lontano dall'IC.

Preoccupazioni sulla Affidabilità

Quando si parla di problemi di affidabilità, i MTBF devono essere molto elevati. Questo include tutti i componenti del satellite, come il veicolo stesso così come la tecnologia incorporata in esso fino ai PCB. La durata di vita tipica prevista per un satellite di comunicazione è di 10 anni. La sfida è che i pannelli solari si degradano mentre il resto dei componenti del satellite rimane intatto e funzionale. Nel caso dei satelliti geosincroni utilizzati per la TV, ci sono piccoli motori a razzo su di essi che possono essere attivati quando iniziano a deviare dalla loro posizione. Attivando i motori a razzo, i satelliti possono essere riportati nelle loro esatte posizioni. In questi casi, la vita del satellite termina quando quei motori esauriscono il carburante. Poiché i costi di riparazione di questi satelliti non sono ragionevoli, è più semplice inviare nuovi satelliti.

Osservazioni

Come esseri umani, abbiamo una fascinazione innata per lo spazio. Fin dall'inizio della Corsa allo Spazio alla fine degli anni '50, abbiamo rivolto i nostri sguardi verso l'alto quasi con incredulità per osservare quei pezzi di hardware che l'uomo ha messo nello spazio mentre volano sopra di noi sulla terra. Lee Ritchey, fondatore e presidente di Speeding Edge, ha costruito le prime radio che sono state lasciate sulla luna come parte del programma Apollo. Ho avuto la grande fortuna di servire come ingegnere CDM (Configuration Data Management) per il complesso di lancio dello Space Shuttle che era quasi completato sulla Vandenberg Air Force Base nella costa centrale della California a metà degli anni '80. Diversi anni dopo, sono stato il consulente per le relazioni pubbliche per Wind River Systems quando la tecnologia software VxWorks dell'azienda guidava la prima navicella spaziale esplorativa Pathfinder verso Marte nel 1997. La NASA era concentrata sull'uso di tecnologia COTS (commercial off-the-shelf) per il progetto. Il computer a bordo del Pathfinder consisteva in una CPU IBM RISC 6000 Rad-hardened con VxWorks di Wind River come sistema operativo. Il rover marziano robotizzato su ruote, Sojourner, è stato il primo rover a operare fuori dal sistema Terra-Luna. Per entrambi noi, le nostre esperienze di lavoro sugli sforzi del programma spaziale sono tra i punti più alti delle nostre carriere.

Riassunto

La progettazione e la fabbricazione di PCB utilizzati nei satelliti devono tenere conto di una serie di parametri ambientali e di prestazione specifici per le operazioni spaziali. Una comprensione approfondita di questi parametri può aiutare a garantire che il PCB funzioni correttamente non solo la prima volta, ma ogni volta per tutta la durata di vita del satellite.

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