Thiết kế cho Thị trường Quân sự và Hàng không vũ trụ—Vệ tinh

Tương tự như các sản phẩm được phát triển cho ứng dụng hải quân, vệ tinh cũng phải đối mặt với các điều kiện môi trường cụ thể cần được giải quyết trong suốt chu kỳ phát triển sản phẩm. Từ IC chống bức xạ đến ống dẫn nhiệt và nhấn mạnh cực độ vào độ tin cậy, PCB được thiết kế để sử dụng trong vệ tinh phải chịu đựng những vấn đề hoạt động phi thường. Bài viết này sẽ mô tả những thách thức liên quan đến việc thiết kế PCB được sử dụng trong vệ tinh và tính độc đáo của môi trường thiết kế đó.

Không Nhiều, Nhưng Rất Đắt

Giống như ứng dụng hải quân, PCB được phát triển cho vệ tinh được đặc trưng là rất đắt đỏ với số lượng thấp. Thêm vào đó, số lượng nhà sản xuất và lắp ráp có thể xây dựng những sản phẩm này rất chuyên biệt và hạn chế.

Lưu ý: khi tôi nói về vệ tinh quân sự-vũ trụ, đó là những cái được sử dụng cho giám sát và những cái được sử dụng để hỗ trợ một mạng lưới truyền thông khổng lồ. Ví dụ, GPS ban đầu được tạo ra cho quân sự và họ vẫn duy trì hệ thống này ngày nay.

Chi phí cao của PCB vệ tinh là điều hiển nhiên do công nghệ được tích hợp trong chúng cũng như số lượng thấp đã nêu trên. Hơn nữa, những PCB này thường được thiết kế cụ thể cho dự án nên khó có khả năng một PCB được xây dựng cho một vệ tinh/chương trình có thể dễ dàng chuyển giao cho một cái khác.

Như đã đề cập trước đây, với các chương trình quân sự và hàng không vũ trụ, lượng giấy tờ liên quan đến việc sản xuất PCB có thể gấp đôi chi phí của bản mạch. Ngoài ra, các nhà sản xuất và lắp ráp bản mạch phải được chứng nhận cho các dự án quân sự và hàng không vũ trụ, và đó là một đề xuất đòi hỏi thời gian, lao động và chi phí cao.

Nhìn lên bầu trời: Đó là Chim, Đó là Máy Bay, Đó là Vệ Tinh

Về vấn đề tính toàn vẹn tín hiệu đối với vệ tinh, chúng giống như mọi môi trường ứng dụng khác bởi vì cùng một cấp độ công nghệ (các thành phần IC), với một số triển khai cụ thể, được sử dụng. Ngoài ra, vệ tinh chứa tất cả các bộ xử lý hiệu suất cao, sản phẩm vi sóng và radio RF giống như những sản phẩm được sử dụng cho các triển khai sản phẩm khác.

Các thách thức cụ thể của môi trường mà vệ tinh PCB phải đối mặt bao gồm:

• Các PCB phải có khả năng chịu được sốc khi phóng.
• Các IC cần được cứng hóa chống bức xạ.
• Sản phẩm cuối cùng cần có trọng lượng tối thiểu.
• Có những hạn chế nghiêm ngặt về tiêu thụ năng lượng.
• Có yêu cầu làm mát cao hơn.
• Độ tin cậy là một mối quan tâm lớn.

Tôi sẽ giải quyết những thách thức này theo thứ tự.

Sốc khi Phóng

Tiêu chí sốc khi phóng tên lửa gần như là một điều chắc chắn khi bạn tính đến hàng triệu tấn lực đẩy cần thiết để nâng một tên lửa khỏi bệ phóng. Tương tự như khả năng chịu đựng hoạt động trong môi trường ăn mòn cao đối với hải quân, trong vệ tinh, các gói PCB có thể trông như thể chúng đã được thiết kế quá mức và xây dựng quá chắc chắn. Lý do là khá rõ ràng. Nếu một PCB bị hỏng trong quá trình phóng, không có cách nào để sửa chữa nó một khi nó đã ở trong không gian.

Chống bức xạ

Chống bức xạ là quá trình đảm bảo rằng các thành phần và mạch điện tử có khả năng chống lại sự hỏng hóc hoặc trục trặc do mức độ bức xạ ion hóa cao, như bức xạ hạt và bức xạ điện tử năng lượng cao được tìm thấy trong không gian vũ trụ. PCB phải được thiết kế sao cho chúng dễ dàng tích hợp IC chống bức xạ.

IC được chống bức xạ khi một lớp mỏng silicon được phát triển trên một wafer sapphire. (Quá trình này được biết đến là SOS, hay silicon trên sapphire). Silicon thường được kết tủa từ khí silane trên một nền sapphire được làm nóng. Sapphire là một chất cách điện điện tử xuất sắc ngăn chặn dòng bức xạ lạc đường lan rộng đến các phần tử mạch lân cận. Tất cả các IC được sử dụng trong vệ tinh đều được chống bức xạ.

Cũng cần lưu ý rằng tất cả các vệ tinh quân sự đều được thiết kế sao cho chúng có thể tồn tại qua một xung điện từ (EMP). EMP là một cú sốc năng lượng lớn tương tự như được tạo ra bởi một tia sét. Đây là nguyên nhân gây ra tiếng nhiễu trong radio. Khi một EMP tấn công vào vệ tinh, nó có thể phá hủy các thiết bị điện tử bên trong vệ tinh bằng cách gây ra điện áp rất cao trong các dây dẫn. Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng sợi quang, hiện nay đã được tích hợp vào vệ tinh và hầu hết máy bay mới.

Xem xét về Trọng lượng

Tất cả công nghệ được tích hợp vào vệ tinh cần phải có trọng lượng tối thiểu—từ PCBs đến các linh kiện được lắp đặt trên chúng. Những kỹ sư tham gia phát triển công nghệ vệ tinh tìm kiếm mọi khía cạnh của vệ tinh để đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu về trọng lượng được quy định. Họ cũng tìm cách giảm trọng lượng mọi lúc mọi nơi có thể.

Tiêu thụ Năng lượng

Mục tiêu tiêu thụ năng lượng cho tất cả vệ tinh là tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt trong khoảng thời gian càng dài càng tốt. Tất cả các vệ tinh đang quay quanh trái đất đều được cung cấp năng lượng bằng năng lượng mặt trời. Điều này có nghĩa là chúng phải có một số pin cung cấp năng lượng khi vệ tinh ở phía sau trái đất. Điều này cũng có nghĩa là phải có một hệ thống quản lý năng lượng khá tinh vi.

Những vệ tinh rời quỹ đạo Trái Đất cũng như những vệ tinh phải hoạt động ở mặt tối của mặt trăng đều được cung cấp năng lượng bằng hạt nhân. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hàng nghìn cặp nhiệt được kết nối với nhau và bao quanh một lõi hạt nhân nóng.

Yêu cầu về Làm Mát

Làm mát các IC trên vệ tinh thường được thực hiện bằng ống dẫn nhiệt. Công nghệ ống dẫn nhiệt thực sự xuất phát từ vệ tinh. Một ống dẫn nhiệt được tạo ra bằng cách có một tấm kim loại có ống dẫn bên trong đặt trên đỉnh của một IC. Ống dẫn dẫn ra một khu vực mở nơi có một tấm lớn khác. Bên trong ống, có một lưới và một chất lỏng. Chất lỏng này được chọn sao cho nhiệt độ của IC làm cho nó trở thành hơi. Hơi đi xuống giữa ống đến đầu kia nơi nó ngưng tụ trở lại thành chất lỏng và sau đó quay trở lại lưới ở đầu kia nơi chu trình lặp lại. Việc sử dụng ống dẫn nhiệt trên IC đã mở rộng xa hơn nhiều so với công nghệ vệ tinh. Ví dụ, nếu không có ống dẫn nhiệt, một số IC trong các sản phẩm Internet sẽ không hoạt động đúng cách do mức công suất rất cao.

Trong những trường hợp mà ống dẫn nhiệt không thể sử dụng được, chẳng hạn như khi có một IC rất lớn, có thể thêm vào PCB các lớp đồng bổ sung để tạo thành tản nhiệt. Các lớp kim loại bổ sung trong PCB hoạt động để dẫn nhiệt ra xa khỏi IC.

Mối quan tâm về Độ tin cậy

Khi nói đến vấn đề độ tin cậy, các giá trị MTBF phải rất cao. Điều này bao gồm tất cả các thành phần của vệ tinh như chính phương tiện cũng như công nghệ được tích hợp vào đó, từ trên xuống dưới đến các PCB. Tuổi thọ dự kiến ​​cho một vệ tinh truyền thông là 10 năm. Thách thức là trong khi các tấm pin mặt trời bị suy giảm thì phần còn lại của các thành phần vệ tinh vẫn còn nguyên vẹn và hoạt động. Trong trường hợp của các vệ tinh địa tĩnh được sử dụng cho truyền hình, có những động cơ tên lửa nhỏ trên chúng có thể được kích hoạt khi chúng bắt đầu trôi ra khỏi vị trí. Bằng cách kích hoạt động cơ tên lửa, các vệ tinh có thể được đưa trở lại đúng vị trí của chúng. Trong những trường hợp này, tuổi thọ của vệ tinh kết thúc khi những động cơ đó cạn kiệt nhiên liệu. Vì chi phí sửa chữa những vệ tinh này không hợp lý, nên việc gửi các vệ tinh mới lên dễ dàng hơn.

Quan sát

Con người chúng ta có một sự hứng thú bẩm sinh với không gian. Kể từ khi Cuộc đua vào vũ trụ bắt đầu vào cuối những năm 50, chúng ta đã hướng mắt lên trời gần như không tin nổi để theo dõi những thiết bị mà con người đã đưa vào không gian khi chúng bay qua chúng ta trên Trái Đất. Lee Ritchey, người sáng lập và là Chủ tịch của Speeding Edge, đã xây dựng những chiếc radio đầu tiên được để lại trên mặt trăng như một phần của chương trình Apollo. Tôi đã có may mắn lớn khi phục vụ như một kỹ sư CDM (Quản lý Dữ liệu Cấu hình) cho phức hợp phóng Tàu con thoi không gian gần như đã hoàn thành tại Căn cứ Không quân Vandenberg ở bờ biển trung tâm California vào giữa những năm 80. Vài năm sau, tôi là cố vấn quan hệ công chúng cho Wind River Systems khi công nghệ phần mềm VxWorks của công ty hướng dẫn tàu thăm dò Pathfinder đầu tiên đến Sao Hỏa vào năm 1997. NASA tập trung vào việc sử dụng công nghệ COTS (thương mại sẵn có) cho dự án. Máy tính trên tàu Pathfinder bao gồm một CPU IBM RISC 6000 Rad-hardened với VxWorks của Wind River là hệ điều hành. Robot Mars rover có bánh xe, Sojourner, là rover đầu tiên hoạt động ngoài hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng. Đối với cả hai chúng tôi, những trải nghiệm làm việc trong các nỗ lực chương trình không gian là những điểm nổi bật trong sự nghiệp của chúng tôi.

Tóm tắt

Thiết kế và sản xuất PCB được sử dụng trong vệ tinh phải tính đến một số yếu tố về môi trường và hiệu suất đặc trưng cho hoạt động ngoài không gian. Hiểu biết kỹ lưỡng về những yếu tố này có thể giúp đảm bảo rằng PCB không chỉ hoạt động đúng từ lần đầu tiên mà còn hoạt động đúng mọi lúc trong suốt vòng đời của vệ tinh.

Altium Designer^® cung cấp một gói thiết kế PCB được xây dựng cho việc thiết kế các hệ thống điện tử mạnh mẽ trong bất kỳ ngành công nghiệp nào, kể cả hàng không vũ trụ. Hãy nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.