FAQ: projektowanie układów dla przemysłu kosmicznego

New Space

P: Jakie wyzwania są niektóre związane z prowadzeniem działań w kosmosie?

O: Przestrzeń kosmiczna jest prawie pozbawiona wszelkiej materii, to znaczy jest perfekcyjnie pustą próżnią. Nie ma powietrza, które mogłoby podtrzymać życie lub zapewnić przewodzenie i konwekcję ogrzewania lub chłodzenia. Ekstremalne temperatury dla ISS wahają się od -250°F po ciemnej stronie do 250°F w świetle słonecznym, co wymaga systemów kontroli temperatury. Samo dostanie się w kosmos nie jest łatwą jazdą i wymagającą wystrzelenia rakiety, która wywiera na statek kosmiczny duże siły przyspieszenia i wibracji. Statek kosmiczny musi zapewnić sobie własną energię, wykorzystując pokładowe magazyny energii, jakąś formę paliwa i/lub panele słoneczne. Poza ziemską atmosferą, poziomy promieniowania są wysokie, powodując degradację statku kosmicznego. Należy unikać kosmicznych śmieci i meteoroidów. Niskie orbity muszą ponadto uwzględniać opór atmosferyczny, w przeciwnym razie ulegną ponownemu wejściu.

P: Czym jest New Space?

O: New Space, czasami określany jako Space 2.0, to niskokosztowe podejście do przestrzeni kosmicznej opracowane przez prywatne firmy. Prywatne firmy drastycznie obniżyły koszty wystrzelenia i koszty satelitów do poziomu, na którym firmy komercyjne, uniwersytety i programy rządowe mogą teraz uzyskać dostęp do przestrzeni kosmicznej za ułamek poprzednich kosztów. Satelity mogą być budowane z komponentów o niższej odporności na promieniowanie, a czasem nawet z części powszechnie dostępnych, co jest korzystne pod względem ponoszonych kosztów. Konkurencja wśród firm komercyjnych nadal obniża koszty. Części w pełni uodpornione przed promieniowaniem często pozostają technologicznie w tyle.

Promieniowanie

P: Czym jest promieniowanie?

O: Promieniowanie w kosmosie składa się ze złożonej mieszaniny fal elektromagnetycznych o wysokiej energii i cząstek subatomowych. Fale elektromagnetyczne są podobne do światła widzialnego, ale mają wyższą częstotliwość niż promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Cząstki subatomowe czerpią swoją wysoką energię z ich prędkości. Cząstki te składają się z mieszaniny elektronów, protonów, cząstek alfa (jądra helu) i jąder cięższych pierwiastków. Cząstki subatomowe nazywane są promieniami kosmicznymi.

P: Czym jest promieniowanie jonizujące?

O: Jest to promieniowanie o energii wystarczająco wysokiej do usunięcia jednego lub więcej elektronów z materii, tworząc w ten sposób jony. Uwalniając elektrony, atom staje się jonem naładowanym dodatnio.

P: Jakie są źródła promieniowania w kosmosie?

O: W pobliżu Ziemi większość promieniowania kosmicznego jest emitowana przez nasze Słońce, ale część pochodzi również z odległych gwiazd i wydarzeń galaktycznych. Wiele naładowanych cząstek zostaje uwięzionych w ziemskim polu magnetycznym, tworząc pasy promieniowania Van Allana, które są obszarem o wysokim promieniowaniu otaczającym Ziemię.

P: Czy promieniowanie jest niebezpieczne?

O: Skutki zdrowotne promieniowania zależą od skumulowanej ilości, energii i składu cząstek promieniowania. Promieniowanie jest uważane za niebezpieczne dla życia, ponieważ nawet niskie dawki promieniowania jonizującego mogą powodować uszkodzenia DNA i w konsekwencji  mutacje komórkowe. Dawki od 100 do 600 rad  mogą powodować dyskomfort w żołądku, zmęczenie i wymioty. Jednak już dawki od 200 do 800 rad bez pomocy medycznej oznaczają 50% szans na spowodowanie śmierci w ciągu 60 dni. Dawki 800 lub więcej rad pozostawione bez leczenia są niemal w 100-procentach śmiertelne.

P: Jak astronauci mogą przetrwać w kosmosie?

O: Aby astronauci mogli przetrwać w kosmosie, musimy zapewnić im środowisko odpowiednie do życia. Oznacza to atmosferę nadającą się do oddychania, kontrolę temperatury, fizyczną ochronę przed meteoroidami, mikrometeoroidami i śmieciami kosmicznymi oraz ochronę przed promieniowaniem. Żywność i wodę należy starannie planować, aby nie zabrakło jej między misjami zaopatrzeniowymi.

P: Jak promieniowanie wpływa na statek kosmiczny?

O: Promieniowanie może zmienić właściwości materiału, powodując trwałą lub czasową degradację. Ładunek elektryczny może gromadzić się na powierzchniach, w końcu rozładowując się jako ładunki statyczne. Efekt pojedynczego wyładowania (single event effect, SEE) jest bezpośrednim wynikiem uwolnienia wysokiej energii naładowanej cząstki, Wyładowanie może zmienić bity logiczne, zakłócając jedynie komputer lub może spowodować trwałe, destrukcyjne uszkodzenie. Długotrwałe promieniowanie znane jako całkowita dawka jonizująca (total ionizing dose, TID) stopniowo zmienia wydajność elektroniki. Przy wystarczającej dawce TID obwody przestaną działać zgodnie z przeznaczeniem.

P: Jak chronić statek kosmiczny przed promieniowaniem?

O: Stosuje się kilka podejść, często je łącząc. Proces zaczyna się od wyboru materiałów odpornych na promieniowanie. Testowanie materiałów i elektroniki pod kątem efektów promieniowania to istotna część projektowania satelity. Znając orbitę i czas życia, inżynierowie mogą korzystać z kilku narzędzi do przewidywania otoczenia zewnętrznego statku kosmicznego. Ekranowanie służy do pochłaniania i zmniejszania skutków znacznej części promieniowania jonizującego. Ale ekranowanie to bardziej złożony temat: ekranowanie może zatrzymać promieniowanie o niskiej energii, ale promieniowanie kosmiczne o wysokiej energii może wytworzyć deszcz wtórnych zjonizowanych cząstek po przejściu przez zbyt cienkie ekranowanie. Tarcze ekranów są ciężkie i nie przyczyniają się do realizacji celu misji, zwykle idzie się więc na kompromis pomiędzy stosowaniem ekranowania oraz komponentów odpornych na promieniowanie. W przypadku funkcji krytycznych często stosuje się pewną formę nadmiarowych układów sprzętu w celu złagodzenia skutków ewentualnych wyładowań.

Zasilanie satelitów

P: Skąd satelity czerpią energię?

O: Większość satelitów krążących wokół Ziemi czerpie energię ze słońca. Panele fotowoltaiczne (PV) na statku kosmicznym są podobne do tych stosowanych na dachach, przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną. Jednak, aby zaoszczędzić na wadze, ogniwa fotowoltaiczne klasy kosmicznej często wykorzystują bardziej wydajne, wielowarstwowe struktury, zdolne do konwersji większej ilości energii świetlnej na energię elektryczną. Generowana moc będzie się różnić w zależności od zacieniania Ziemi lub części satelity, kąta zwrócenia się ku słońcu, obciążenia elektrycznego i wieku paneli, ponieważ efekty ciemnienia i promieniowania odbijają się negatywnie na wydajności. Aby skorygować zmiany poziomu produkcji energii, jednostki kondycjonowania mocy dostosowują dostępną moc do statku kosmicznego i akumulatora oraz rozprowadzają energię za pomocą szyny napięciowej do komponentów satelity. W okresach, gdy satelita jest całkowicie zacieniony przez Ziemię, energię dostarczają baterie. Istnieje kilka typowych napięć magistrali, ale generalnie wahają się one od 28V do 100V.

P: W jaki sposób urządzenia elektroniczne są zasilane z magistrali?

O: Dystrybucja mocy w satelicie może być skomplikowana. Zasilane podsystemy wymagają regulacji napięcia, izolacji od szyny, filtracji szumów, tłumienia stanów przejściowych, izolacji błędów i odpowiedniej mocy dostarczanej przez lokalną sieć. Zadania te są realizowane przez kombinację jednostek dystrybucji zasilania (power distribution unit, PDU) i zasilaczy, dostosowanych na poziomie jednostki do wymagań konkretnego odbiornika. PDU zapewnia izolację błędów i może również realizować funkcje regulacji. Funkcje zasilacza zwykle obejmują regulację napięcia od napięcia szyny do poziomu wymaganego przez odbiornik (zwykle w zakresie od 0,5 V do 12 V), izolację szyny, filtrowanie szumów i tłumienie przepięć, a czasami również ochronę przed błędami.

P: Jakie jest podejście Vicor do urządzeń zasilających odpornych na promieniowanie?

O: Vicor opracował linię produktów, która uwzględnia unikalne wymagania dotyczące produktów pracujących w kosmosie, w tym skutki TID i SEE. Elementy półprzewodnikowe zostały dobrane tak, aby były odporne na oba efekty promieniowania. Vicor testuje wszystkie partie komponentów, aby upewnić się, że wymagania dotyczące odporności na promieniowanie są spełnione. Moduły zawierają zdublowane struktury, zapewniające integralność zasilania podczas wyładowań, dostarczając krytycznym odbiornikom ciągłe zasilanie.

Odporne na promieniowanie konwertery Vicor oferują wysoką gęstość mocy, wysoką wydajność konwersji, mały rozmiar i wagę oraz niski poziom szumów podczas przełączania. Korzyści te osiągnięto dzięki zastosowaniu technik przełączania beznapięciowego i bezprądowego, które umożliwiają wydajną pracę przy wysokiej częstotliwości. Produkty zasilające Vicor odporne na promieniowanie są oceniane na 50 tys. rad TID. Ponadto, nowe moduły zostały przetestowane i udowodniły odporność do 80k rad TID.

P: W jaki sposób konwertery DC-DC mogą przetrwać w środowisku SEE?

O: Aby opracować przetwornicę DC-DC odporną na promieniowanie, należy zwrócić uwagę na każdy szczegół w projekcie i dobór komponentów, które muszą przejść testy ciężkich jonów. Tranzystory MOSFET są testowane pod kątem odporności na wyładowanie, SEB i uszkodzenie bramki (single event gate rupture, SEGR). Tranzystorów MOSFET muszą wytrzymać znaczne spadki napięcia: komponenty mogą być używane tylko wtedy, gdy przetrwają liniowy transfer energii (linear energy transfer, LET) > 35 MeV-cm2/mg.

P: Czy produkty odporne na promieniowanie będę funkcjonować właściwie w środowisku SEE?

O: Vicor przeprowadził obszerną analizę pracy modułów w środowisku ciężkich jonów. Ciężkie jony mogą powodować zakłócenia funkcjonalne (SEFI) układu zasilania. Przyjęto podejście polegające na wykrywaniu wszystkich form SEFI i resetowaniu układu napędowego. Każdy z odpornych na promieniowanie modułów mocy Vicor zawiera dwa układy zasilania, które normalnie działają równolegle. Jeśli jeden z nich zostanie zakłócony przez naładowane cząstki i zostanie zresetowany, równoległa jednostka przyjmuje pełne obciążenie na czas resetowania, co jest formą aktywnej redundancji. Kiedy moduł, który został zakłócony wróci do trybu normalnej pracy, oba układy modułu ponownie dzielą obciążenie. To podejście z podwójnym układem zasilania zapewnia niezawodne dostarczanie mocy w środowisku SEE.

Artykułopublikowano dzięki uprzejmości firmy Vitec Power