Електроника за космоса

• Експоненциалният ръст в космическите приложения през последните години води до множество иновации при електронните компоненти и устройства за сектора
  
  
• Фокусът е върху по-компактните, олекотени и издръжливи конструкции, високата радиационна, температурна и електромагнитна устойчивост
  
  
• Вгражданите в космическо оборудване компоненти днес са милиони пъти по-мощни от тези, използвани за кацането на човек на Луната

Експоненциалният ръст в космическите приложения през последните години води до динамично технологично развитие и множество иновации при електронните компоненти и устройства за космически апарати и мисии. С фокус върху по-компактните, олекотени и издръжливи конструкции, високата радиационна, температурна и електромагнитна устойчивост и други ключови подобрения водещите производители в сегмента непрекъснато представят все по-усъвършенствани версии на продуктите си, преминали щателни предварителни тестове и отговарящи на най-строгите действащи стандарти за качество, надеждност и безопасност.

Съвременната електроника за космоса е еволюирала значително в сравнение с пионерските разработки в сектора от миналия век, а вгражданите в космическо оборудване компоненти днес са милиони пъти по-мощни и ефективни в сравнение с предшествениците си, използвани например за кацането на човек на Луната.

Технологично развитие

Интересен факт е, че космическите изследвания са един от основните двигатели за развитието на съвременната електроника, а Космическата надпревара между САЩ и СССР дава тласък за създаването на основополагащ компонент, като интегралната схема (ИС). Днес мащабни проекти, като Международната космическа станция, продължават да финансират разработването и внедряването на нови концепции в дизайна и производството на електронни елементи, прибори и системи.

Същевременно космическите мисии и приложения стават все повече на брой и все по-достъпни за бизнеса и обикновения човек. Ето защо непрекъснато се множат и производителите на електроника, които разработват продукти за космоса и ги сертифицират съгласно изискванията на големите космически агенции – NASA, ESA и т. н.

Въпреки впечатляващия напредък на технологиите през последните десетилетия сериозни предизвикателства пред производителите на електронни елементи, прибори и системи за космически приложения продължават да са налице. Те са свързани основно с агресивните експлоатационни условия в космоса. Все по-високи са изискванията както към компонентите, конструкциите и корпусите, така и към материалите, производствените методи и интегрираните технологии.

В продуктовите каталози на доставчиците в сегмента обикновено е обособен специален клас електроника за космически приложения (space grade), който обхваща т. нар. “ruggedized” или високоиздръжливи компоненти и устройства, както и “radiation-hardened” (rad-hard, RH) или “radiation-tolerant” (rad-tolerant, RT) продукти. Те са съответно “издръжливи/усилени” срещу радиация (специално проектирани да устояват на високи радиационни нива) и “устойчиви/толерантни” към радиация (междинен сегмент между стандартната електроника и високоустойчивите компоненти), чийто дизайн е сравнително издръжлив в среди с наличие на радиация, но не и при толкова продължително излагане и високи нива (измервани като обща доза йонизиращо лъчение – TID, или ефект на единично събитие – SEE), колкото при първата категория.

Електрониката за авиокосмическия сектор често намира приложение и в отбранителната промишленост, където също са налице специфични експлоатационни условия, което е причина голяма част от водещите производители да обединяват офертите си за тези два сектора в общи каталози. Електронните компоненти и устройства за космически приложения все по-масово са базирани на т. нар. комерсиални стандартизирани технологии (COTS), което улеснява извършването на детайлни предварителни изпитвания. Сред водещите приложения на продуктите от последно поколение в сегмента са комуникационни и навигационни спътници, сателитни съзвездия в ниска околоземна орбита (LEO), нови космически програми, мисии до Луната и Марс, в т. ч. използващи ракети носители, спускаеми/кацащи апарати, луно-/марсоходи, космически совалки и т. н.

Големият брой спътници в т. нар. LEO съзвездия налагат допълнително изискване за висока разходна ефективност на компонентите. Според данни на Правителствената служба за отчетност на САЩ (GAO) през 2022 г. в земната орбита има над 6900 активни сателита, като до 2030 г. се очаква да бъдат изстреляни още около 58 000. Актуални прогнози на глобалната маркетингова агенция Stratview Research пък сочат, че с тези темпове пазарът на космическа електроника ще надхвърли 5,3 млрд. щатски долара още до 2028 г.

Предизвикателствата в космоса

В продуктовите листи на водещите производители в сегмента фигурира широк асортимент от специализирани активни, пасивни и електромеханични компоненти, прибори, устройства и аксесоари, включително резистори, кондензатори, индуктори/дросели, магнитни компоненти, полупроводникови и хибридни интегрални схеми, таймери, часовници, микроконтролери, сензори, приемо-предаватели, памети, радари, антени, конектори, кабели и проводници, релета, контактори, електромагнити, превключватели и други компоненти, които се вграждат в компютри, дисплеи, радиостанции, комуникационни и навигационни системи, захранващи модули и т. н.

Електрониката за космически приложения се проектира така, че да издържа на едни от най-тежките възможни експлоатационни условия, включително екстремни температури (с разлики от порядъка на 270° между горната и долната граница), силно радиационно облъчване, интензивни вибрации, електромагнитни смущения и др. Нещо повече – популярните методи за охлаждане се оказват неприложими в космоса поради условията на вакуум. Друго съществено ограничение е свързано с материалите, които не трябва да позволяват отделяне на газове. Това в продължение на дълги години означаваше използване основно на керамика при корпусирането/капсуловането вместо пластмаса. Предизвикателство представляват и технологиите за свързване и механичен монтаж, особено при компоненти, устройства или системи, чиято подмяна е необходимо да бъде извършвана в космически условия, а неправилна инсталация може да доведе до тежка повреда или дори да коства успеха на цяла мисия с многомилиарден бюджет.

Космическите изследвания поначало са изключително скъпо начинание, а извеждането на хора в космоса е и високорисково за всеки астронавт. Ето защо поправянето на неизправна или дефектирала електронна система не е нито финансово изгодно и практично, нито желано с оглед на безопасността на екипажите на пилотираните космически апарати. За тази цел космическите компании се стремят да предвидят и елиминират възможно най-голям процент от рисковете предварително – още във фазите на проектиране, конструиране и изпитване. За предпазване на електронните компоненти, които са ключови на практика във всички групи системи в космическото оборудване, и за гарантиране на тяхната висока издръжливост и надеждност се използват различни съвременни техники, като т. нар. “potting” или заливане със смола/капсулант за защита и изолация на компонентите на печатните платки, външно екраниране, използване на изолиращ субстрат за ИС и др.

Основни съображения при проектирането

Ето и някои основни съображения при проектирането във връзка с факторите на космическата среда. В космоса налягането е нулево, което означава, че поведението на произведените при атмосферно налягане електронни компоненти потенциално би било различно извън Земята. В допълнение, в космически условия е характерно наличието на йони и други частици, които могат да компрометират работата на електрониката. В нискоземна орбита UV радиацията причинява молекулярно разграждане на елементи, като хелий, кислород, азот и др. Атомните им версии могат да станат причина за корозия и ерозия на материалите. Йоните и свободните електрони в космоса могат да причинят и т. нар. “arching” ефект (извиване), който засяга чувствителните електронни компоненти.

Екстремните температури и топлинните цикли с огромни амплитуди са в основата на повишени механични натоварвания върху електрониката – както ИС, така и останалите компоненти. Вибрациите при изстрелване и отделяне на различни модули от космическите апарати са честа причина за повреди в печатните платки – възникване на резонанс и разхлабване на връзките, неизправност на конекторите, окъсяване, прекъсване на преноса на данни и други нежелани и потенциално катастрофални ефекти. В среда на вакуум някои метали, като калай, кадмий, цинк и др. в електронните компоненти и вериги, претърпяват ефект, наречен “whiskers” или “пускане на мустаци” – електропроводими структури, които са резултат от кристализация и могат да причинят къси съединения и други нежелани ефекти.

Сериозен проблем в космическите приложения, който е необходимо да бъде избегнат, е генерирането на газове от неметални материали, като термопасти, пластмаси, лепила, подложки за PCB и др. Газовите фази могат да се отложат и наслоят върху други критични компоненти и да влошат или възпрепятстват работата им.
Електронните компоненти в космоса са подложени на комбинация от условия, която значително може да скъси експлоатационния им живот, ако не са осигурени специални защити. Ето защо все по-популярни стават COTS портфолиата, които са преминали изчерпателно предварително изпитване.

Сред най-сериозните предизвикателства за надеждността при проектирането на космическа електроника си остава радиацията, особено при едни най-масовите приложения – малките сателити в нискоземна орбита, които революционизират глобалните гласови и информационни комуникации. Основни източници на радиационни ефекти са заредените частици, уловени от магнитното поле на Земята, както и високоенергийните космически лъчения от звезди извън Слънчевата система. Устройствата, които съхраняват или натрупват заряд, често са по-податливи на щети вследствие на радиация. Неизправности в регистраторите и паметите, които са с ниска радиационна устойчивост, могат да доведат до сериозни софтуерни грешки. CMOS сензорите за изображения са други типични “жертви” на повреди от енергизирани космически частици.

Иновативни подходи и концепции

Важна стъпка напред към преодоляване на ограниченията при материалите, използвани за производство на електроника за космоса, е квалификационен стандарт, разработен през 2023 г. от NASA и някои големи компании, производители на компоненти и устройства в сегмента. Т. нар. “Qualified Manufacturers List Class P” (QML Class P) насърчава използването и на полимерни материали (освен керамика) за капсуловане на ИС на базата на съществуващия стандарт на SAE AS6294. Това позволява изработката на високоефективни пластмасови защитни покрития за захранващи компоненти, процесори, комуникационни компоненти, ИС за високоскоростни приложения и други елементи на спътници, предназначени за кацане космически апарати и друго оборудване в сегмента.

Сертифицираните по QML Class P компоненти са устойчиви на радиационни нива в диапазона 50 до 300 килорада (krad), а устойчивостта им на единични събития, причиняващи отказ, е над 60 MeV.cm2/mg. Сред заложените изисквания са използването на злато за свързване/опроводяване, както и подлагане на всички части на устройствата на поне 15 топлинни цикъла в диапазона от -55 до 125°C, последвано от рентгенова инспекция на спойките, щателни електрически и термични тестове при различни температури.

През същата 2023 г. от NASA направиха и друг значителен пробив в космическата електроника и комуникациите, постигайки 200 Gbits/s пренос на данни по оптична връзка от типа “космос-Земя”. Интересна съвременна тенденция в космическата индустрия е преходът между традиционните специализирани мрежови интерфейси към Ethernet решения, които се отличават с по-висока гъвкавост и опростено проектиране. За такива приложения на пазара вече се предлагат радиационно устойчиви Ethernet PHY приемо-предавателни модули с поддържка на сериен и четворен последователен гигабитов независим медиен интерфейс. Радиационна защита се добавя и към прибори за управление на електрозахранвания, разработени въз основа на комерсиални стандартизирани технологии. Иновации в COTS сегмента са и 64-мегабитови серийни памети за космически приложения, проектирани да издържат на TID от 50 килорада, които са отлично решение за съхранение на критични софтуерни кодове или данни в LEO сателитни съзвездия и други сходни приложения. Сред новостите на пазара са и ултратънки мащабируеми матрични антени, устойчиви на земни и космически смущения, за високи радиочестоти и с електронно управление.

Други интересни тенденции, които се очаква да трасират бъдещето на космическата електроника, са квантовите материали за ултрависокоскоростен пренос на информация, както и напредващата миниатюризация в комбинация с олекотяване и намаляване на енергийната консумация и вследствие – на драстично поевтиняване на компонентите и системите. Така един компактен сателит от най-нова генерация може да струва с 90% по-малко от конвенционалните си предшественици, включително разходи за конструиране и изстрелване. За сравнение, производството и извеждането в орбита на спътника WorldView-4 с тегло 2,5 тона е коствало приблизително 850 млн. щатски долара, докато един OneWeb сателит, тежащ около 150 kg, изисква общо под 1 млн. долара. Истинска революция в сегмента са и т. нар. CubeSats – сравнително нов клас миниатюрни спътници с дизайн на куб със страна 10 cm и тегло около 2 kg.

Фундаментално е влиянието върху сектора и на технологиите на Industry 4.0 и Industry 5.0. Иновации, като автоматизацията, роботизацията и 3D печатът, коренно трансформират производствените методи, повишавайки скоростта, прецизността, качеството и разходната ефективност на електронните устройства за космически приложения. Адитивното производство предстои все по-широко да се изнася в космическото пространство с цел икономично и удобно изработване в условия на вакуум на сложни електронни компоненти и изделия “на място”.

На базата на изкуствен интелект, машинно самообучение и технологични инструменти от арсенала на метавселената компании от ранга на Airbus и SpaceX вече значително подобряват управлението на сателитите и космическите си апарати и усъвършенстват функционалните им възможности. Сред тях са например AI платформи за изчисляване на траектории и разход на гориво, събиране и анализ на данни в реално време за предотвратяване на сблъсъци, симулиране на нулева или микрогравитация на земята и т. н.