Elektronika svemirske klase ili kako je NASA-in Juno preživio u blizini Jupitera

Šest svemirskih misija koje su nas podsjetile na istraživanje svemira je teško

Studeni 2011. bio je posebno uzbudljivo vrijeme za planetarne znanstvenike. Rusija je lansirala svoj svemirski brod Phobos-Grunt osmišljen za slijetanje na Phobos, prvi pokušaj najvećeg marsovskog mjeseca. Ono što je još uzbudljivije je da je svemirski brod trebao vratiti uzorak od ~ 200 g s površine Phobosa! Znanost!

Manevri koje će izvoditi Phobos Grunt oko Marsa. Izvor: Wikipedia

Lansiranje je bilo uspješno, ali svemirska letjelica nikada nije napustila Low Earth Orbit (LEO). Svemirska letjelica nije uspjela zapaliti svoje motore, a njena orbita propada u nekoliko tjedana. Pobuđena Zemljom, utonula se u ocean što je rezultiralo potpunim neuspjehom misije. Zajedno s svemirskim brodom, izgubljeni su i prvi kineski orbiti Yinghuo-1 u Kini i LIFE eksperimenta planetarnog društva.

Pa što je pošlo po zlu? Izvješće o kvaru otkrilo je da elektroničke komponente svemirske letjelice nisu bile kvalificirane za upotrebu u svemiru niti su bile testirane prije lansiranja. Gubitak Phobos-Grunta i znanosti koju je mogla učiniti bio je golem podsjetnik na neumoljivu prirodu svemirskog istraživanja. Smanjivanje uglova u razvoju i testiranju svemirskih letjelica radi uštede nekih troškova koštat će nas još više.

U ovom ćemo članku pogledati kako se gradi elektronika svemirskih letjelica kako bi preživjeli oštrinu svemirskih okruženja i neke zanimljive poglede u različite svemirske misije.

Dio A - Čvrsta elektronika za korištenje prostora

Izgradite da traje

Elektroničke komponente koje se koriste u svemirskim brodovima moraju biti izgrađene kako bi preživjele teška svemirska okruženja i pouzdano funkcionirale u njemu. Američko ministarstvo obrane daje preko 100 testova kako bi se osigurao pouzdan rad pod mehaničkim stresom, velikim temperaturnim fluktuacijama i jakim ionizirajućim zračenjem. Sve elektroničke komponente svemirske klase moraju se kvalificirati pojedinačno, za razliku od ispitivanja uzoraka uobičajenih u komercijalnoj ili industrijskoj primjeni.

Iz istog razloga što je sva elektronika u IAU (Integrirana jedinica za avioniku) svemirske letjelice svemirske klase. Tako su vitalne komponente poput senzora zvijezda. Ostali elektronički sustavi kao što su jedinice za obradu slike landera i rover kamere izrađeni su tako da ne smiju imati greške.

Svemirska letjelica Voyager lansirana 1977. i dalje djeluje. Izvor: Wikipedia

Da bi osigurali željenu pouzdanost, dizajneri sustava ne mogu upotrijebiti najnovije i najveće čipove. Ako pogledamo koji se CPU koriste u svemirskim brodovima, ustanovit ćemo da je većina vrlo starih dizajna, a neki potiču još iz 1990-ih. Ključno je koristiti nešto što je isprobano i testirano za koje znamo da će uspjeti.

Komponente elektronike stvrdnute su za korištenje prostora pomoću neke od sljedećih tehnika:

Lonac električni transformator dizajniran za ugradnju na PCB za korištenje prostora. Površina koju formira lonac za posuđe vidi se s desne strane. Izvor: Wikipedia

1. Pottinging

Vibracijske rakete u vremenu lansiranja mogu izazvati mehanički stres na elektronici i oštetiti je. Postupak posipanja uključuje punjenje elektroničkog sklopa čvrstim / želatinoznim spojem koji će odoljeti udarima i vibracijama.

2. Silicij na izolatoru

Čipi za korištenje prostora proizvode se na izolacijskoj podlozi umjesto silikonske, što im omogućuje da budu otpornije na zračenje i otporne na greške.

3. Vrste RAM-a

Statičke RAM-ove (SRAM) preferiraju se umjesto dinamičke (DRAM) jer one manje gladuju. To je ključno za slučaj kada svemirske letjelice idu u načinima male snage, ali trebaju nastaviti slati telemetriju.

4. Vanjska zaštita

Vanjski štit (poput olova) oko elektroničkih komponenti smanjuje izloženost zračenju i na taj način povećava životni vijek misije. Ovo je posebno korisno u dugoročnim misijama poput New Horizons-a koji se trenutno nalazi na putu ka Kuiperovom pojasu.

Veličina elektroničkih komponenti kvalificiranih za korištenje prostora obično su znatno veće od onih komercijalnih / industrijskih.

Učinci zračenja na elektroniku svemirskih letjelica

Unatoč ispitivanim komponentama svemirske klase, stvari i dalje mogu neočekivano funkcionirati u svemirskoj misiji zbog intenzivnog zračenja u svemiru. Širok raspon učinaka, kategoriziranih u okviru efekata pojedinačnih događaja (SEE) može uzrokovati operativne probleme.

  • Ioni u svemirskom zračenju u interakciji s komponentama čipa mogu preokrenuti stanje bitova i uzrokovati pogreške u memoriji.
  • Visokoenergijski ion ili protoni koji prolaze kroz unutrašnje tranzistorske spojnice mogu uzrokovati kvake, što dovodi do kratkog spoja.
  • Slično tome, te visokoenergetske čestice također mogu pustiti elektrone da se izgube u krugu što uzrokuje nepovratna oštećenja.

Gubici memorije, sekvence izvršenja koda koje idu kosom, kopče itd. Sve su nepoželjni elementi uspješne svemirske misije. Neke se probleme mogu riješiti samo na štetu tvrdog resetiranja, dok neki uzrokuju trajnu nepovratnu štetu. Elektronika svemirskih letjelica mora biti izgrađena imajući na umu sve ove faktore.

Osim incidenata u Phobos-Gruntu, pogledajmo svemirske misije koje djeluju kao stalni podsjetnik na oštru, neoprostivu prirodu svemirskog istraživanja.

Dio B - Zanimljivi slučajevi elektronike svemirske klase u raznim svemirskim misijama

1. Kad izgubite senzore zvijezda

Prvi indijski lunarni orbiti Chandrayaan-1, zvjezdani senzor nije uspio raditi nakon nekoliko mjeseci u mjesečevoj orbiti. Izuzetna izloženost sunčevom zračenju u kombinaciji s drugim čimbenicima uzrokovala je neuspjeh i senzora sigurnosne zvijezde.

Chandrayaan-1 shematski prikazuje dva senzora zvijezda. Izvor: Wikipedia

Ostatak misije morao je biti završen korištenjem putničkih žiroskopa i stalnim korekcijama iz zemaljske stanice. Misija je na kraju bila uspješna, ali podsjetila je da čak i dijelovi prostora svemira mogu propasti.

2. Kad imate šest računala za dovršavanje jednog posla

Svemirska letjelica Galileo dizajnirana za orbitu i proučavanje Jupitera imala je ne jedan nego šest CPU-a. Opstanak u okruženju Jovianovog (Jupiterovog) zračenja - koje je narednih razmjera intenzivnije od Zemljine - zahtijevalo je da svaki glavni podsustav kontrolira vlastiti CPU radi tolerancije grešaka. Na taj način ako jedan CPU umre, on onesposobljava samo jedan glavni instrument.

Umjetnikov dojam da je NASA-in svemirski brod Galileo letio pored Jupiterovog vulkanski aktivnog mjeseca Io. Izvor: NASA. Napomena: U ovom dojmu, pojačana antena prikazana je u potpunosti, ali nije bila za vrijeme misije.

Svaki od korištenih CPU-a bio je 8-bitni RC 1802, radijski na takt 1,6 MHz. Izrađene su na safiru (silicij na izolatoru) koji je zračen i pogodan za intenzivno Jovijino okruženje. Mogućnosti obrade svemirske letjelice Galileo bile su ekvivalentne klasičnim računalima Apple II koja su prodana desetljeće prije.

Shema jovianove magnetosfere koja obuhvaća njegova četiri mjeseca. Svemirska letjelica Galileo suočena je s intenzivnim zračenjem na svim bliskim prijelazima na Jupiter. Izvor: John Spencer

Upotreba suvišnih sigurnosnih modula standardna je praksa u razvoju svemirskih letjelica kako bi se problemi smanjili. Unatoč tim zaštitnim mjerama, oštro okruženje Jupitera prouzročilo je preko desetine anomalija svemirskom brodu Galileo tijekom vremena, uključujući česte resetiranja ugrađenih računala.

3. Kada solarni plamenovi oštete vaše solarne ploče

Na putu prema asteroidu Itokawa 2003. godine, japansku svemirsku letjelicu Hayabusa pogodio je jedan od najvećih solarnih baklja u zabilježenoj povijesti. Vatra je oštetila solarne panele i smanjila njihovu snagu. I ne samo to, bacač je skinuo i jedan od četiri ionska motora svemirske letjelice. Kao rezultat toga trebalo je smanjiti trajanje misije.

JAXA svemirski brod Hayabusa u Itokavi. Izvor: Planetarno društvo

Pretjerano zračenje oštetilo je spojeve u solarnim ćelijama, a također je izazivalo zabrinutost prilikom dizajniranja Junoa, NASA-inog svemirskog broda koji je trenutno u orbiti oko Jupitera bliže nego bilo koja svemirska letjelica koja je krenula prema njemu. Inženjeri su znali da će se solarni paneli vremenom degradirati zbog intenzivnog Jovian zračenja. Rizik je sveden na prihvatljive razine korištenjem stakla solarne ploče dvostruko debljeg od uobičajenog i povećanjem veličine solarnog panela za veći učinak.

4. Zračenje očvršćavanje pomoću RAD računala

Jedna od najnovijih generacija (u svemirskim razmjerima) čipova sa zračenjem je 32-bitni RAD750 proizveden od strane tvrtke BAE, utemeljen na PowerPC 750 dizajniranom od strane IBM-a. Dizajniran je da minimizira gubitke čak i kad je suočen s ekstremnim zračenjem od sunčevih zraka. S širim temperaturnim opsegom i 10 puta boljim performansama od prethodne generacije RAD6000, RAD750 se od njegove dostupnosti koristio u preko 150 svemirskih misija, uključujući svima najdraži Mars rover Curiosity.

Radoznali rover selfie na Mount Sharp-u. Izvor: NASA

Neke od drugih popularnih svemirskih misija koje pokreću RAD750s uključuju Lunar Reconnaissance Orbiter, svemirski teleskop Kepler, Opservatorij Solarne dinamike i, naravno, svemirsku letjelicu Juno. Svaki RAD750 košta oko 200.000 dolara.

Kao što je prethodno spomenuto, sve kritične misije imaju suvišne module. Curiosity rover ima dva RAD750 CPU-a, jedan djeluje kao rezervna jedinica koja je preuzela kada se prvi suočio s problemima svoje flash memorije.

5. Slučaj Juno i Jupiter

Dizajnirana za proučavanje Jupiterovih stupova i približavanje planetu nego bilo koja svemirska letjelica prije njega, Juno je suočena s izazovima. Ispada da upotreba pojedinačno testiranih komponenti svemirske klase, jedne od procesira s najviše zračenja i upotrebe suvišnih komponenti, još uvijek nije dovoljna za suočavanje s oštrim okruženjem u blizini Jupitera, planeta s najvećom magnetosferom u Sunčevom sustavu.

1 - umjetnikov dojam svemirskog broda Juno sa svojim velikim (i debelim) solarnim pločama. Izvor: NASA. 2 - Junoova orbita izuzetno je blizu Jupiteru da postigne svoje znanstvene ciljeve u procesu izlaganja opasačkim pojasevima. Izvor: Juno web stranica

Rad750 CPU dizajniran je da izdrži do milijun rada zračenja, što je izvanredno. Ali očekuje se da će misija tijekom vremena izložiti Junove komponente 20 milijuna radijacija. To je prilično intenzivno.

Da bi zaštitili elektroničke komponente, inženjeri su izgradili zaštitni oklopni titanski oklop sa stranicama debljine 1 cm. Ovaj kubični trezor smanjuje izloženost zračenju elektroničkih komponenti 800 puta.

NASA-ini JPL inženjeri koji instaliraju Juno Radiation Vault dizajnirani su za zaštitu njegovih elektroničkih komponenti u intenzivnom Jovian okruženju. Izvor: NASA

Štit je toliko važan za funkcioniranje Juno da dobiva svoje ime - Juno Radiation Vault.

"Bez zaštitnog štita ili radijacijskog svoda, Junoov bi se mozak pržio već na prvom prolazu u blizini Jupitera."
- Scott Bolton, Junoov glavni istražitelj

Čak i tada, očekuje se da Juno prestane s radom kasnije ove godine zbog višestrukih bliskih prolaza do Jupitera tijekom njegovog dvogodišnjeg razdoblja misije. Podsjetnik da je prostor težak.

Ali vrijedi istražiti.