Considérations de conception pour l'électronique dans l'espace [fermé]

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Quelles contraintes supplémentaires rencontrons-nous lors de la conception d'électronique / microsystèmes pour une utilisation en orbite?

Quels types de techniques de blindage sont utilisées? Est-il courant de placer tous les appareils électroniques dans une cage de Faraday ou d'autres méthodes de blindage sont-elles préférées?

Comment les composants de qualité aérospatiale sont-ils testés et comment leur fiabilité se compare-t-elle aux pièces «standard»? Les composants standard correctement blindés peuvent-ils rivaliser du point de vue de la fiabilité?

Quels types de supports / contreventements / amortisseurs mécaniques sont utilisés pour protéger les systèmes électriques pendant le décollage / l'atterrissage et pour les fortes contraintes thermiques attendues?

RYS
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Certaines choses sont plus faciles dans l'espace. La transmission radio entre les engins spatiaux est nettement plus prévisible et la "décoloration" est pratiquement inexistante.
Andy aka
Supprimer les points concernant le blindage spécifique, les statistiques de fiabilité et les solutions mécaniques spécifiques pourrait affiner cette question pour qu'elle soit à nouveau viable à l'OMI.
Grebu
Grebu l'original a été signalé comme trop large. Bien que je sois d'accord avec le sentiment, il y a très peu de réponses concernant spécifiquement ce domaine - je l'ai préféré aussi plus large. Peut-être que je vais revenir en arrière et rééditer un peu.
RYS

Réponses:

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C'est ce que je fais! Beaucoup, beaucoup d'excellents livres ont été écrits sur le sujet, mais comme une brève liste à puces, axée en particulier sur les systèmes embarqués pour l'utilisation de l'espace:

  • En général, nous utilisons de nombreuses pratiques de conception à haute fiabilité apprises au cours de plusieurs décennies de leçons durement apprises de la défense, de l'aviation et même de l'automobile (contrôleurs de frein, ABS). Cela comprend des méthodes de tolérance aux pannes (n-redondance, sécurité intégrée, etc.), une analyse rigoureuse et un contrôle de la qualité des logiciels et du matériel, et le respect des nombreuses normes écrites sur le sujet (particulièrement critique si vous travaillez pour une entreprise traditionnelle). environnement spatial).

  • Pour l'électronique en particulier, le rayonnement ionisant et le manque de magnétosphère terrestre sont les plus importants. En tant que simplification excessive, nous pouvons nous diviser en deux classes: la dose d'ionisation totale (TID) et les effets à événement unique . Les deux ont des atténuations qui vont de jeter beaucoup d'argent sur du matériel spécialisé et des solutions logicielles / de conception intelligentes qui peuvent atténuer suffisamment les effets d'une manière beaucoup moins chère.

  • TID est exactement ce à quoi cela ressemble - au fil du temps, vous accumulez des dommages causés par les rayonnements ionisants et, éventuellement, vos semi-conducteurs cessent de devenir des semi-conducteurs. Les effets varient énormément en fonction de la taille du processus, de la composition et de nombreux autres effets au niveau de l'appareil, mais les effets que vous pouvez voir incluent un décalage de tension de seuil MOSFET - imaginez un MOSFET à canal N qui Vt dérive lentement vers le bas jusqu'à ce qu'il soit toujours activé. Certains processus incroyablement durcis ont été développés pour prendre en charge des quantités de doses très élevées - la mission Juno destinée à Jupiter possède un matériel incroyable à l' intérieur d'une voûte massive et littérale .

  • Une note annexe sur le TID, étant donné que, bien sûr, les effets des rayonnements sont également intéressants pour les applications terrestres telles que les armes nucléaires, les tests sont souvent effectués à des débits de dose élevés et faibles. Certains dispositifs semi-conducteurs expriment des résultats différents pour les deux - par exemple, un article que j'ai lu a soumis un LDO à des débits de dose élevés et faibles. L'un a dégradé le circuit à bande interdite de Brokaw, faisant chuter la tension de sortie au fil du temps. L'autre a dégradé la bêta du transistor de sortie, réduisant le courant de sortie au fil du temps.

  • Des effets à événement unique peuvent également être observés sur Terre - la plupart des gens connaissent les mémoires ECC DDR pour les applications critiques, par exemple. De plus, la plupart des avions commerciaux doivent en tenir compte, car leur altitude de fonctionnement est suffisamment élevée pour que les neutrons de haute énergie puissent provoquer un dysfonctionnement du circuit électronique. Ceci est communément appelé `` bit-flips '' - une particule énergétique se déplace à travers un circuit, conférant un transfert d'énergie linéaire (LET) qui peut être suffisant pour provoquer un bit-upset (SEU), une condition de verrouillage ( SEL) qui conduit à un appel de courant élevé en raison du comportement parasite du BJT, de la rupture de la grille MOSFET (SEGR) et du burn-out (SEB). Vous pouvez classer de manière générale tout événement entraînant une défaillance du système en tant qu'interruption fonctionnelle SEFI - événement unique.

  • Je vais appeler spécifiquement le verrouillage . Il existe des spécifications terrestres pour le verrouillage qui relèvent de JESD78, mais celles-ci ne sont pas conçues pour des conditions de verrouillage radio-induites. Le mécanisme est similaire entre les deux - une structure NPN parasite peut être alimentée dans une construction CMOS conventionnelle, provoquant la création d'un chemin de faible impédance entre la puissance et la terre. Bien sûr, cela entraînera de grandes quantités de courants traversant une partie de la puce qui n'a jamais été conçue pour elle. En se souvenant des fils de liaison de densité de courant et de diverses parties des matrices, elles sont conçues pour, si cette situation n'est pas corrigée, que la puce mourra d'une mort ardente. Une atténuation courante est un capteur de courant en amont qui réagit pour couper l'alimentation et supprimer le verrouillage.

  • En termes de logiciels et de processeurs, je le résume à deux problèmes majeurs. La première consiste à protéger la mémoire volatile - fichiers de registre, RAM (SRAM / DRAM), etc. Il serait regrettable que votre registre PC prenne une SEU et saute soudainement ailleurs. Deuxièmement, protège non volatilemémoire - votre logiciel est inutile s'il est corrompu et ne peut pas s'exécuter. La protection volatile habituelle est ECC (SECDED habituellement) plus un nettoyage continu des erreurs. Pour les produits non volatils, c'est beaucoup plus difficile - de grandes quantités de mémoire durcie sont incroyablement coûteuses à l'achat, au détriment des missions scientifiques de la NASA / ESA. Certaines personnes utilisent la redondance n, d'autres utilisent des technologies nativement durcies comme MRAM ou FRAM (dans une certaine mesure, pour le travail COTS) et d'autres paient les fournisseurs à plus de six chiffres pour un stockage hautement fiable et critique.

  • Mécaniquement, au moins en orbite LEO, vous faites un cycle thermique entre le soleil et l'obscurité toutes les 45 minutes. Cela s'ajoute à la nécessité de survivre aux rigueurs du lancement - mes collègues mécaniciens ont également un ensemble d'exigences qu'ils conçoivent (je crois qu'une partie est GEVS ) pour nous assurer de survivre au lancement à haut G d'une fusée. Ils font une quantité impressionnante d'analyses et de tests avant le lancement pour s'assurer que nous ne devenons pas des morceaux de flotsam en cours de montée. Dans l'assemblage, nous évitons d'utiliser des soudures sans plomb et enduisons tous les assemblages électriques.

  • Thermiquement, il n'y a pas de convection dans l'espace. Pour les circuits intégrés haute puissance, le seul chemin de transfert de chaleur est le rayonnement et la conduction. Des conceptions intéressantes de dissipateur de chaleur doivent être envisagées pour éliminer efficacement la chaleur d'un appareil en utilisant uniquement ces deux méthodes. De plus, les tests sur le terrain deviennent du matériel, car non seulement vous avez besoin d'une chambre thermique, mais également d'une chambre à vide. Voici quelques photos des chambres TVAC du JPL.

  • Travaillant dans un "nouvel espace", où les gens ne construisent pas des oiseaux GEO / MEO massifs qui soutiennent la sécurité nationale critique ou les besoins commerciaux, souvent les pièces COTS sont volées après avoir subi des tests / analyses sur le terrain pour voir comment elles s'en sortent. Alors que l'on peut acheter une porte quad-NAND 74xx00 tolérante à plusieurs centaines de krads pour quelques centaines de dollars, certaines personnes peuvent tester beaucoup de 74LVC00 ou des pièces similaires pour voir comment elles se comportent également. Tout dépend du niveau de risque que vous êtes prêt à tolérer.

Mon expérience est dans la conception d'électronique automobile, grand public et industrielle, avant de me lancer dans le spatial. Donc, souvent mon processus de pensée est "mec, je vais utiliser cette partie monolithique impressionnante et de faible puissance! Oh, attends - espace.". Cela est généralement remplacé par la réflexion sur la façon dont je peux discrétiser et minimiser cette solution pour une stabilité des composants résistants aux radiations ou durcis aux radiations en fonction de la connaissance (soit des tests, soit des prévisions basées sur la technologie des processus) de leur rayonnement. performance.

Quelques bons livres / ressources à lire:

Si cette réponse suscite plus d'intérêt, je vais probablement revenir en arrière pour la remplir / la modifier pour être plus propre.

Krunal Desai
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C'était ce que je cherchais. J'interviewe dans une entreprise aérospatiale, donc cette information est très appréciée pour la préparation. J'attends avec impatience les éventuelles modifications que vous pourriez faire.
RYS
+1 Dites, avez-vous trouvé un devis (délai / prix) sur l'ATmegaS128? (rad hard dans les versions mil / space) En cours, mais j'aimerais avoir des informations plus rapidement.
Spehro Pefhany
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J'ai ajouté quelques notes supplémentaires sur divers aspects des systèmes sur lesquels je travaille - je n'ai pas encore fait de FPGA. @SpehroPefhany Je n'ai pas encore cité cette partie et je n'ai pas entendu parler de la vigne quel serait le prix, mais je pense que la rumeur voulait qu'il atteigne un maximum de quatre chiffres. IIRC cependant, il est suffisamment proche de l'ATMega COTS pour que les concepteurs de systèmes puissent facilement espacer les deux empreintes ou les modulariser de sorte qu'ils puissent économiser de l'argent en utilisant l'ATMegas COTS pour certaines mules d'ingénierie / test, et n'utiliser que le proto-flow / de qualité spatiale. ATmegas sur les véhicules de vol ou EDU.
Krunal Desai
@KrunalDesai Merci, c'est mon plan - c'est ça ou utiliser quelque chose qui est préhistorique parce que l'héritage du vol .. <sigh>
Spehro Pefhany
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Il y a plusieurs raisons pour les vitesses d'horloge relativement faibles. La dissipation de puissance / gestion thermique est préoccupante et des horloges généralement plus basses faciliteront cela, tout le reste étant équivalent. Deuxièmement, la plupart de ces processeurs tolérants aux radiations sont, comme vous l'avez dit, plus âgés et en retard par rapport à leurs frères commerciaux. En termes de rayonnement, dans certains modèles FPGA, le retard de propagation peut augmenter à mesure que le dosage total grimpe. Selon la marge dont vous disposiez au moment de la clôture, cela peut présenter un problème. La fermeture d'une conception à 50 MHz avec des contraintes à 100 MHz vous offre une énorme marge.
Krunal Desai
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Considérations thermiques, mécaniques et dégazage en cas de fonctionnement sous vide, radiations et perturbations et dommages connexes, vibrations et chocs lors du lancement, contrôle des exportations des appareils et de la documentation. Capacité limitée ou inexistante d'effectuer des réparations ou des mises à niveau physiques.

Spehro Pefhany
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Aussi le rayonnement cosmique, je suppose.
Alper91
@ Alper91 Oui, toutes sortes de radiations, selon la situation.
Spehro Pefhany
Conclusion - il suffit de quitter
Gregory Kornblum
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Vous devez utiliser des composants avec une cote "aérospatiale". Ils sont environ 20 fois plus chers que les industriels. De nombreux fabricants de composants ne fabriquent manifestement pas de composants avec de telles valeurs.
Master
Par conséquent, vous êtes très limité dans la sélection des composants.
Master