Projetando para o Mercado Mil-aero—Satélites

Assim como os produtos desenvolvidos para aplicações navais, os satélites estão sujeitos a condições ambientais específicas que devem ser abordadas durante o ciclo de desenvolvimento do produto. Desde CI's Radhardened até tubos de calor e uma ênfase extrema na confiabilidade, as PCBs projetadas para uso em satélites são submetidas a questões operacionais extraordinárias. Este artigo descreverá os desafios associados ao projeto de PCBs usadas em satélites e a singularidade desse ambiente de design.

Não Muitos, Mas Muito Caros

Assim como nas aplicações navais, as PCBs desenvolvidas para satélites caracterizam-se por serem muito caras e de baixo volume. Além disso, o número de fabricantes e montadores que podem construir esses produtos é altamente especializado e limitado.

Nota: quando falo sobre satélites militares-aeroespaciais, estou me referindo àqueles usados para vigilância e os que suportam uma enorme rede de comunicações. Por exemplo, o GPS foi originalmente criado para o uso militar e eles ainda mantêm esse sistema hoje.

O alto custo das PCBs de satélites é um dado devido à tecnologia incorporada nelas, bem como aos baixos volumes mencionados anteriormente. Além disso, essas PCBs tendem a ser específicas do projeto, então é improvável que uma PCB construída para um satélite/programa possa ser facilmente transferida para outro.

Como mencionado anteriormente, em programas militares e aeroespaciais, a quantidade de papelada associada à construção de uma PCB pode ser o dobro do custo da própria placa. Além disso, os fabricantes e montadores de placas precisam ser certificados para projetos militares e aeroespaciais, o que é uma proposta intensa em termos de tempo, trabalho e custo.

Olhe, No Céu: É um Pássaro, É um Avião, É um Satélite

Em termos de problemas de integridade de sinal para satélites, eles são os mesmos que em qualquer outro ambiente de aplicação porque o mesmo nível de tecnologia (componentes IC), com algumas implementações específicas, é usado. Além disso, os satélites contêm todos os mesmos processadores de alto desempenho, produtos de micro-ondas e rádios RF que são usados para outras implementações de produtos.

Os desafios específicos do ambiente encontrados no desenvolvimento de PCBs para satélites incluem:

• As PCBs precisam ser capazes de sobreviver ao choque do lançamento.
• Os ICs precisam ser endurecidos contra radiação.
• Os produtos finais precisam ser de peso mínimo.
• Há restrições severas de consumo de energia.
• Há requisitos de resfriamento aumentados.
• A confiabilidade é uma grande preocupação.

Abordarei esses desafios em ordem.

Choque de Lançamento

Os critérios de choque de lançamento são praticamente um dado quando se considera os multi-megatons de empuxo necessários para levantar um míssil de uma plataforma de lançamento. Semelhante a ser capaz de resistir à operação em um ambiente altamente corrosivo para a marinha, em satélites, os pacotes de PCB podem parecer como se tivessem sido superdimensionados e construídos em excesso. As razões são bastante claras. Se um PCB sofrer qualquer dano durante o processo de lançamento, não há como repará-lo uma vez que esteja no espaço.

Endurecimento contra radiação

O endurecimento contra radiação é o processo de garantir que componentes eletrônicos e circuitos sejam resistentes aos danos ou malfuncionamentos causados por altos níveis de radiação ionizante, como a radiação de partículas e radiação eletrônica de alta energia encontradas no espaço sideral. Os PCBs devem ser projetados de modo que acomodem facilmente ICs endurecidos contra radiação.

ICs são endurecidos contra radiação quando uma fina camada de silício é cultivada em uma pastilha de safira. (Este processo é conhecido como SOS, ou silício sobre safira). O silício é geralmente depositado pela decomposição de gás silano em um substrato de safira aquecido. A safira é um excelente isolante elétrico que impede que correntes de radiação dispersas se espalhem para elementos de circuito próximos. Todos os ICs usados em satélites são endurecidos contra radiação.

Deve-se também notar que todos os satélites militares são projetados de tal forma que possam sobreviver a um EMP (pulso eletromagnético). Um EMP é um choque de energia enorme, semelhante ao que é gerado por um relâmpago. É isso que causa o som estático em um rádio. Quando um EMP atinge um satélite, pode destruir a eletrônica dentro do satélite induzindo tensões muito altas nos fios. A solução para isso são as fibras ópticas que agora são incorporadas aos satélites e à maioria dos novos aviões.

Considerações de Peso

Toda a tecnologia incorporada em um satélite precisa ser de peso mínimo — desde as PCBs até os componentes nelas incorporados. Os engenheiros envolvidos no desenvolvimento da tecnologia de satélites examinam cada aspecto de um satélite para garantir que ele satisfaça os requisitos de peso especificados. Eles também buscam maneiras de reduzir o peso sempre e onde for possível.

Consumo de Energia

O objetivo de consumo de energia para todos os satélites é consumir o mínimo de energia possível pelo maior tempo possível. Todos os satélites que estão em órbita terrestre são alimentados por energia solar. Isso significa que eles precisam ter algumas baterias que fornecem energia quando o satélite está atrás da Terra. Também significa que deve haver um sistema de gerenciamento de energia bastante elegante.

Os satélites que deixam a órbita terrestre, bem como aqueles que têm que funcionar no lado escuro da lua, são movidos a energia nuclear. Isso é alcançado por meio de milhares de pares térmicos que são todos conectados entre si e cercam um núcleo nuclear quente.

Requisitos de Refrigeração

A refrigeração dos ICs em satélites é normalmente feita com tubos de calor. A tecnologia de tubo de calor na verdade teve origem com os satélites. Um tubo de calor é criado ao se ter uma placa metálica que possui tubulação interna e é colocada no topo de um IC. A tubulação leva a uma área aberta onde há outra grande placa. Dentro do tubo, há uma malha e um líquido. Esse líquido é escolhido de tal forma que o calor do IC o transforma em vapor. O vapor desce pelo meio do tubo até a outra extremidade, onde condensa de volta em líquido e então retorna pela malha para a outra extremidade, onde o ciclo se repete. O uso de tubos de calor em ICs expandiu-se muito além da tecnologia de satélites. Por exemplo, se não fosse por tubos de calor, alguns dos ICs em produtos de Internet não funcionariam adequadamente devido a níveis de potência muito altos.

Nas situações em que os tubos de calor não podem ser utilizados, como quando há um CI muito grande, camadas extras de cobre podem ser adicionadas na PCB para criar um dissipador de calor. As camadas adicionais de metal dentro da PCB trabalham para conduzir o calor para longe do CI.

Preocupações com a Confiabilidade

Quando se trata de questões de confiabilidade, os MTBFs têm que ser muito altos. Isso inclui todos os componentes do satélite, como o próprio veículo, bem como a tecnologia incorporada nele, até as PCBs. A expectativa de vida típica para um satélite de comunicações é de 10 anos. O desafio é que os painéis solares se degradam enquanto o restante dos componentes do satélite permanece intacto e funcional. No caso dos satélites geoestacionários usados para TV, existem pequenos motores de foguete neles que podem ser acionados quando começam a se desviar da posição. Ao acionar os motores de foguete, os satélites podem ser recolocados em suas posições exatas. Nestes casos, a vida do satélite se esgota quando esses motores ficam sem combustível. Como os custos de reparação desses satélites não são razoáveis, é mais fácil apenas enviar novos satélites.

Observações

Como seres humanos, temos uma fascinação inata pelo espaço. Desde o início da Corrida Espacial no final dos anos 50, voltamos nossos olhos quase incrédulos para assistir àquelas peças de hardware que o homem colocou no espaço enquanto elas voam sobre nós na Terra. Lee Ritchey, Fundador e Presidente da Speeding Edge, construiu os primeiros rádios que foram deixados na lua como parte do programa Apollo. Tive a grande sorte de atuar como engenheiro de CDM (Gerenciamento de Dados de Configuração) para o complexo de lançamento do Ônibus Espacial que estava quase concluído na Base da Força Aérea de Vandenberg na costa central da Califórnia, em meados dos anos 80. Alguns anos depois, fui o consultor de relações públicas para a Wind River Systems quando a tecnologia de software VxWorks da empresa estava guiando a primeira nave espacial exploratória Pathfinder para Marte em 1997. A NASA estava focada em usar tecnologia COTS (comercial pronta para uso) para o projeto. O computador a bordo do Pathfinder consistia em um CPU IBM RISC 6000 Rad-hardened com o VxWorks da Wind River como sistema operacional. O rover marciano robótico de rodas, Sojourner, foi o primeiro rover a operar fora do sistema Terra-Lua. Para ambos, nossas experiências trabalhando em esforços do programa espacial estão entre os pontos altos de nossas carreiras.

Resumo

O design e a fabricação de PCBs usados em satélites devem levar em conta uma série de parâmetros ambientais e de desempenho específicos para operações espaciais. Um entendimento profundo desses parâmetros pode ajudar a garantir que a PCB funcionará corretamente não apenas na primeira vez, mas em todas as vezes ao longo de toda a vida útil do satélite.

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