Projektowanie dla rynku wojskowo-aerospace—Satelity

Podobnie jak produkty opracowane na potrzeby zastosowań morskich, satelity podlegają specyficznym warunkom środowiskowym, które muszą być uwzględnione podczas cyklu rozwoju produktu. Od układów scalonych Radhardened po rury cieplne i ekstremalny nacisk na niezawodność, PCB zaprojektowane do użytku w satelitach są poddawane nadzwyczajnym problemom operacyjnym. Ten artykuł opisze wyzwania związane z projektowaniem PCB używanych w satelitach oraz unikalność tego środowiska projektowego.

Niewiele, ale bardzo drogie

Podobnie jak w przypadku zastosowań morskich, PCB opracowane dla satelitów charakteryzują się tym, że są bardzo drogie i produkowane w niskich nakładach. Ponadto, liczba producentów i montażystów, którzy mogą budować te produkty, jest bardzo wyspecjalizowana i ograniczona.

Uwaga: kiedy mówię o satelitach wojskowo-astronomicznych, mam na myśli te, które są używane do nadzoru oraz te, które wspierają ogromną sieć komunikacyjną. Na przykład, GPS został pierwotnie stworzony dla wojska i do dzisiaj są oni odpowiedzialni za utrzymanie tego systemu.

Wysokie koszty PCB dla satelitów są oczywiste ze względu na zastosowaną technologię oraz wspomniane niskie nakłady. Ponadto, te PCB zazwyczaj są specyficzne dla projektu, więc mało prawdopodobne jest, aby PCB zbudowane dla jednego satelity/programu mogło być łatwo przeniesione do innego.

Jak wcześniej wspomniano, w przypadku programów wojskowych i lotniczych, ilość dokumentacji związanej z produkcją PCB może być dwukrotnie większa niż koszt samej płyty. Ponadto, producenci i montażyści płyt muszą być certyfikowani do projektów wojskowych i lotniczych, co jest propozycją wymagającą dużo czasu, pracy i kosztów.

Spójrz, wysoko w niebie: To ptak, to samolot, to satelita!

Jeśli chodzi o problemy z integralnością sygnału w satelitach, są one takie same jak w każdym innym środowisku aplikacyjnym, ponieważ używa się tego samego poziomu technologii (komponenty IC), z pewnymi specyficznymi implementacjami. Ponadto, satelity zawierają wszystkie te same procesory o wysokiej wydajności, produkty mikrofalowe i radia RF, jakie są używane w innych realizacjach produktów.

Specyficzne wyzwania środowiskowe napotykane podczas rozwijania PCB dla satelitów obejmują:

• PCB muszą być w stanie przetrwać wstrząsy podczas startu.
• Układy scalone muszą być odporne na promieniowanie.
• Końcowe produkty muszą być jak najlżejsze.
• Obowiązują surowe ograniczenia zużycia energii.
• Wymagania dotyczące chłodzenia są zaostrzone.
• Niezawodność jest ogromnym problemem.

Zajmę się tymi wyzwaniami po kolei.

Wstrząs podczas startu

Kryteria wstrząsu podczas startu są praktycznie danymi, gdy weźmie się pod uwagę wielomegatonowe ciągi niezbędne do uniesienia rakiety z platformy startowej. Podobnie jak w przypadku zdolności do pracy w wysoce korozyjnym środowisku dla marynarki wojennej, w satelitach, opakowania PCB mogą wyglądać, jakby były przeprojektowane i przekonstruowane. Powody są dość jasne. Jeśli PCB ulegnie jakimkolwiek uszkodzeniom podczas procesu startu, nie ma możliwości jego naprawy, gdy znajdzie się w przestrzeni kosmicznej.

Utwardzanie radiacyjne

Utwardzanie radiacyjne to proces zapewniania, że komponenty elektroniczne i obwody są odporne na uszkodzenia lub awarie spowodowane wysokim poziomem jonizującego promieniowania, takiego jak promieniowanie cząsteczkowe i wysokoenergetyczne promieniowanie elektronowe, które występuje w przestrzeni kosmicznej. PCB muszą być zaprojektowane tak, aby łatwo akomodować układy scalone utwardzone radiacyjnie.

Układy scalone są utwardzane radiacyjnie, gdy na podkładce z szafiru wyhodowana jest cienka warstwa krzemu. (Proces ten jest znany jako SOS, czyli krzem na szafirze). Krzem jest zwykle osadzany przez rozkład gazowego silanu na podgrzanym podłożu szafirowym. Szafir jest doskonałym izolatorem elektrycznym, który zapobiega rozprzestrzenianiu się błądzących prądów radiacyjnych do pobliskich elementów obwodu. Wszystkie układy scalone używane w satelitach są utwardzone radiacyjnie.

Należy również zauważyć, że wszystkie satelity wojskowe są projektowane w taki sposób, aby mogły przetrwać EMP (impuls elektromagnetyczny). EMP to ogromny wstrząs energetyczny podobny do tego, który generuje wyładowanie błyskawicy. To właśnie powoduje szumy statyczne w radiu. Gdy EMP uderzy w satelitę, może zniszczyć elektronikę wewnątrz satelity indukując bardzo wysokie napięcia w przewodach. Rozwiązaniem tego problemu są włókna optyczne, które obecnie są włączane do satelitów i większości nowych samolotów.

Waga

Cała technologia włączona do satelity musi charakteryzować się minimalną wagą – począwszy od PCB i komponentów na nich umieszczonych. Inżynierowie zaangażowani w rozwój technologii satelitarnej analizują każdy aspekt satelity, aby upewnić się, że spełnia on określone wymagania wagowe. Szukają również sposobów na redukcję wagi, gdziekolwiek i kiedykolwiek jest to możliwe.

Zużycie energii

Celem dla wszystkich satelitów jest zużywanie jak najmniejszej ilości energii przez jak najdłuższy czas. Wszystkie satelity znajdujące się na orbicie ziemi są zasilane energią słoneczną. Oznacza to, że muszą mieć baterie, które dostarczają energię, gdy satelita znajduje się za Ziemią. Oznacza to również, że musi istnieć dość elegancki system zarządzania energią.

Satelity, które opuszczają orbitę Ziemi, jak również te, które muszą pracować po ciemnej stronie Księżyca, są napędzane energią jądrową. Osiąga się to poprzez wykorzystanie tysięcy termopar, które są ze sobą połączone i otaczają gorące jądro nuklearne.

Wymagania chłodzenia

Chłodzenie układów scalonych (IC) na satelitach zazwyczaj odbywa się za pomocą rur cieplnych. Technologia rur cieplnych faktycznie wywodzi się z satelitów. Rura cieplna jest tworzona poprzez umieszczenie metalowej płyty, która ma wewnątrz rurki, na górze układu scalonego. Rurki wyprowadzają do otwartej przestrzeni, gdzie znajduje się kolejna duża płyta. Wewnątrz rurki znajduje się siatka i ciecz. Ta ciecz jest dobierana tak, aby ciepło z układu scalonego zamieniało ją w parę. Para przemieszcza się przez środek rurki do drugiego końca, gdzie kondensuje się z powrotem w ciecz, a następnie wraca do siatki na drugim końcu, gdzie cykl się powtarza. Użycie rur cieplnych na układach scalonych znacznie wykracza poza technologię satelitarną. Na przykład, gdyby nie rury cieplne, niektóre układy scalone w produktach internetowych nie funkcjonowałyby prawidłowo z powodu bardzo wysokich poziomów mocy.

W przypadkach, gdy nie można użyć rur cieplnych, na przykład gdy jest bardzo duży układ scalony, można dodać dodatkowe warstwy miedzi w PCB, aby stworzyć radiator. Dodatkowe warstwy metalu w PCB działają na zasadzie odprowadzania ciepła od układu scalonego.

Zagadnienia niezawodności

Jeśli chodzi o kwestie niezawodności, MTBF muszą być bardzo wysokie. Dotyczy to wszystkich komponentów satelity, takich jak pojazd sam w sobie, jak i technologia w nim zastosowana, aż po PCB. Typowa przewidywana żywotność satelity komunikacyjnego to 10 lat. Wyzwaniem jest to, że panele słoneczne ulegają degradacji, podczas gdy reszta komponentów satelity pozostaje nienaruszona i funkcjonalna. W przypadku geosynchronicznych satelitów używanych do telewizji, mają one małe silniczki rakietowe, które mogą być uruchamiane, gdy zaczną dryfować poza swoją pozycję. Poprzez odpalenie silniczków rakietowych, satelity mogą być umieszczone z powrotem w ich dokładnych pozycjach. W tych przypadkach, życie satelity kończy się, gdy te silniki wyczerpią paliwo. Ponieważ koszty naprawy tych satelitów nie są rozsądne, łatwiej jest po prostu wysłać nowe satelity.

Obserwacje

Jako ludzie mamy wrodzone zafascynowanie przestrzenią kosmiczną. Od początku Wyścigu Kosmicznego pod koniec lat 50., z niemal niedowierzaniem spoglądaliśmy w górę, obserwując te fragmenty sprzętu, które człowiek wysłał w kosmos, przelatujące nad nami na Ziemi. Lee Ritchey, założyciel i prezes Speeding Edge, zbudował pierwsze radia, które zostały pozostawione na Księżycu jako część programu Apollo. Miałem wielkie szczęście służyć jako inżynier CDM (Configuration Data Management) dla kompleksu startowego promów kosmicznych Space Shuttle, który był niemal ukończony na bazie sił powietrznych Vandenberg w centralnej Kalifornii w połowie lat 80. Kilka lat później byłem konsultantem ds. relacji publicznych dla Wind River Systems, gdy technologia oprogramowania firmy VxWorks kierowała pierwszym statkiem kosmicznym Pathfinder na Marsa w 1997 roku. NASA skupiła się na wykorzystaniu technologii COTS (commercial off-the-shelf) dla tego projektu. Komputer na pokładzie Pathfinder składał się z procesora IBM RISC 6000 Rad-hardened z systemem operacyjnym VxWorks od Wind River. Kołowy robot marsjański, Sojourner, był pierwszym łazikiem działającym poza systemem Ziemia-Księżyc. Dla nas obu, nasze doświadczenia związane z pracą nad programami kosmicznymi są jednymi z najważniejszych punktów naszych karier.

Podsumowanie

Projektowanie i produkcja PCB używanych w satelitach muszą uwzględniać szereg parametrów środowiskowych i wydajnościowych, które są specyficzne dla operacji kosmicznych. Dokładne zrozumienie tych parametrów może pomóc zapewnić, że PCB będzie działać prawidłowo nie tylko za pierwszym razem, ale za każdym razem przez cały okres życia satelity.

Altium Designer^® oferuje pakiet do projektowania PCB, stworzony do projektowania zaawansowanych systemów elektronicznych w dowolnej branży, w tym w lotnictwie i kosmonautyce. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.