Проектирование для рынка военно-космической отрасли — Спутники

Подобно продуктам, разработанным для морских приложений, спутники подвергаются специфическим условиям окружающей среды, которые необходимо учитывать в процессе разработки продукта. От радиационно-стойких интегральных схем до тепловых труб и чрезвычайного акцента на надежности, печатные платы, предназначенные для использования в спутниках, подвергаются исключительным эксплуатационным проблемам. В этой статье будут описаны вызовы, связанные с проектированием печатных плат, используемых в спутниках, и уникальность этой среды проектирования.

Не очень много, но очень дорого

Подобно морским приложениям, печатные платы, разработанные для спутников, характеризуются как очень дорогие с низкими объемами производства. Кроме того, количество производителей и сборщиков, которые могут изготавливать эти продукты, очень специализировано и ограничено.

Примечание: когда я говорю о военно-космических спутниках, я имею в виду те, которые используются для наблюдения и те, которые используются для поддержки огромной сети связи. Например, GPS изначально был создан для военных, и они до сих пор поддерживают эту систему.

Высокая стоимость печатных плат для спутников обусловлена внедренными в них технологиями, а также вышеупомянутыми низкими объемами производства. Более того, эти печатные платы, как правило, специфичны для проекта, поэтому маловероятно, что печатная плата, изготовленная для одного спутника/программы, может быть легко перенесена на другую.

Как было отмечено ранее, в программах военно-космической отрасли объем документации, связанной с изготовлением печатной платы, может быть в два раза выше стоимости самой платы. Кроме того, производители и сборщики плат должны быть сертифицированы для проектов военно-космической отрасли, и это требует значительных затрат времени, труда и денег.

Смотрите в небо: это птица, это самолет, это спутник

Что касается проблем с целостностью сигнала для спутников, они такие же, как и в любой другой среде использования, поскольку используется тот же уровень технологий (компоненты ИС) с некоторыми специфическими реализациями. Кроме того, спутники содержат все те же процессоры высокой производительности, микроволновые изделия и радиопередатчики RF, что и используемые в других продуктах.

Специфические для среды вызовы, с которыми сталкиваются при разработке печатных плат для спутников, включают:

• Печатные платы должны выдерживать удар при запуске.
• ИС должны быть устойчивы к радиации.
• Конечные продукты должны иметь минимальный вес.
• Существуют строгие ограничения по потреблению энергии.
• Требования к охлаждению повышены.
• Надежность является огромной заботой.

Я рассмотрю эти вызовы по порядку.

Удар при запуске

Критерии ударной нагрузки при запуске практически заданы, если учесть многомегатонные тяги, необходимые для подъема ракеты с пусковой площадки. Подобно способности выдерживать работу в высококоррозионной среде для военно-морского флота, в спутниках, пакеты печатных плат могут выглядеть так, как будто они переразработаны и перестроены. Причины довольно очевидны. Если печатная плата получает какие-либо повреждения в процессе запуска, ее невозможно отремонтировать, когда она находится в космосе.

Устойчивость к радиации

Устойчивость к радиации - это процесс обеспечения того, чтобы электронные компоненты и схемы были устойчивы к повреждениям или сбоям, вызванным высокими уровнями ионизирующего излучения, такого как частицы излучения и высокоэнергетическое электронное излучение, которое встречается в космическом пространстве. Печатные платы должны быть спроектированы таким образом, чтобы они легко адаптировались к микросхемам, устойчивым к радиации.

Микросхемы становятся устойчивыми к радиации, когда на подложке из сапфира выращивается тонкий слой кремния. (Этот процесс известен как SOS, или кремний на сапфире). Кремний обычно осаждается путем разложения газа силана на нагретой сапфировой подложке. Сапфир является отличным электрическим изолятором, который предотвращает распространение странствующих радиационных токов на близлежащие элементы схемы. Все микросхемы, используемые в спутниках, устойчивы к радиации.

Также следует отметить, что все военные спутники разработаны таким образом, чтобы они могли выдержать ЭМИ (электромагнитный импульс). ЭМИ представляет собой огромный энергетический удар, подобный тому, который генерируется вспышкой молнии. Именно это вызывает статический шум в радио. Когда ЭМИ поражает спутник, он может уничтожить электронику внутри спутника индуцируя очень высокие напряжения в проводах. Решением этой проблемы являются волоконно-оптические кабели, которые теперь внедрены в спутники и большинство новых самолетов.

Учет веса

Вся технология, внедренная в спутник, должна иметь минимальный вес — вплоть до печатных плат и компонентов, установленных на них. Инженеры, занимающиеся разработкой спутниковых технологий, изучают каждый аспект спутника, чтобы убедиться, что он соответствует заданным требованиям к весу. Они также ищут способы уменьшения веса где и когда это возможно.

Потребление энергии

Цель по потреблению энергии для всех спутников состоит в том, чтобы потреблять как можно меньше энергии на как можно более длительный срок. Все спутники, находящиеся на орбите Земли, работают на солнечной энергии. Это означает, что они должны иметь некоторые батареи, которые обеспечивают питание, когда спутник находится за Землей. Это также означает, что должна быть довольно изящная система управления питанием.

Те спутники, которые покидают земную орбиту, а также те, которым предстоит работать на темной стороне Луны, используют ядерное питание. Это достигается за счет использования тысяч термопар, которые все соединены вместе и окружают горячее ядерное ядро.

Требования к охлаждению

Охлаждение интегральных схем на спутниках обычно осуществляется с помощью тепловых трубок. Технология тепловых трубок на самом деле появилась благодаря спутникам. Тепловая трубка создается путем использования металлической пластины, внутри которой находятся трубки, и устанавливается сверху на интегральную схему. Трубки выходят в открытое пространство, где находится еще одна большая пластина. Внутри трубки находится сетка и жидкость. Эта жидкость выбирается таким образом, что тепло от интегральной схемы превращает ее в пар. Пар движется по центру трубки к другому концу, где конденсируется обратно в жидкость, а затем возвращается в сетку к другому концу, где цикл повторяется. Использование тепловых трубок на интегральных схемах значительно расширилось за пределы технологии спутников. Например, если бы не тепловые трубки, некоторые интегральные схемы в продуктах для Интернета не могли бы функционировать должным образом из-за очень высоких уровней мощности.

В тех случаях, когда тепловые трубки не могут быть использованы, например, когда имеется очень большой интегральный чип, в печатную плату можно добавить дополнительные слои меди для создания теплоотвода. Дополнительные слои металла внутри печатной платы работают на отвод тепла от интегральной схемы.

Опасения по надежности

Когда речь идет о проблемах надежности, среднее время между отказами должно быть очень высоким. Это включает все компоненты спутника, такие как сам аппарат, а также технологии, встроенные в него, вплоть до печатных плат. Типичный срок службы коммуникационного спутника составляет 10 лет. Проблема заключается в том, что солнечные панели деградируют, в то время как остальные компоненты спутника остаются целыми и функциональными. В случае геосинхронных спутников, используемых для телевидения, на них есть маленькие ракетные двигатели, которые могут быть запущены, когда они начинают смещаться с позиции. Запуская ракетные двигатели, спутники могут быть возвращены в точные позиции. В этих случаях срок службы спутника заканчивается, когда заканчивается топливо в этих двигателях. Поскольку стоимость ремонта этих спутников нецелесообразна, проще просто отправить новые спутники.

Наблюдения

Как люди, мы обладаем врожденным интересом к космосу. С начала космической гонки в конце 50-х годов мы с почти недоверием поднимали взгляды вверх, чтобы наблюдать за теми предметами техники, которые человек отправил в космос, пролетающими над нами на Земле. Ли Ричи, основатель и президент компании Speeding Edge, построил первые радиоприемники, которые были оставлены на Луне в рамках программы Аполлон. Мне посчастливилось работать инженером по управлению конфигурационными данными (CDM) для космического шаттла на стартовом комплексе, который был почти завершен на военно-воздушной базе Ванденберг на центральном побережье Калифорнии в середине 80-х. Несколько лет спустя я был консультантом по связям с общественностью для компании Wind River Systems, когда технология программного обеспечения VxWorks компании направляла первый исследовательский космический аппарат Pathfinder на Марс в 1997 году. NASA сосредоточилось на использовании коммерческой технологии COTS (commercial off-the-shelf) для проекта. Компьютер на борту Pathfinder состоял из радиационно-защищенного процессора IBM RISC 6000 с операционной системой VxWorks от Wind River. Колесный робот-марсоход Sojourner стал первым марсоходом, работающим за пределами системы Земля-Луна. Для нас обоих наш опыт работы над космическими программами является одним из самых ярких моментов в нашей карьере.

Резюме

Проектирование и производство печатных плат, используемых в спутниках, должны учитывать ряд параметров окружающей среды и производительности, которые специфичны для космических операций. Глубокое понимание этих параметров может помочь обеспечить, что печатная плата будет работать правильно не только с первого раза, но и каждый раз на протяжении всего срока службы спутника.

Altium Designer^® предлагает пакет для проектирования печатных плат, созданный для разработки мощных электронных систем в любой отрасли, включая аэрокосмическую отрасль. Свяжитесь с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.