Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Licencja Pulsonix
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Układy komercyjne i wzmocnione w systemach kosmicznych

ghost666 26 Cze 2019 15:13 909 1
  • Hybrydowe podejście pozwala zespołom projektowym pracującym nad systemami satelitarnymi i kosmicznymi, na łączenie elementów o zwiększonej odporności na promieniowanie (rad-hard) z klasycznymi, komercyjnie dostępnymi elementami elektronicznymi.

    Przed boomem na produkty elektroniki użytkowej, takie jak przenośne konsole do gry, telefony komórkowe, urządzenia elektroniki noszonej i systemy pracujące w Internecie Rzeczy (IoT), był czas, kiedy rządowy/wojskowy segment elektroniki zużywał znaczny procent wydajności produkcyjnej przemysłu półprzewodnikowego. Dawało to agencjom wojskowym i kosmicznym znaczący wpływ na rodzaje nowych produktów i procesów produkcyjnych, które były rozwijane w przemyśle półprzewodników. Obecnie sytuacja wygląda inaczej, ponieważ wielkość tego segmentu nie jest już wystarczająco duża, aby uzasadniać duże inwestycje dostawców półprzewodników w technologie zlecane przez wojsko czy rząd. Doprowadziło to do stosowania w systemach kosmicznych starszych podzespołów, które zostały opracowane wiele lat temu specjalnie do tego rodzaju zachowań. Łączy się je z komercyjnymi gotowymi elementami elektronicznymi o podwyższonej jakości - głównie układami scalonymi. Nie jest to idealny scenariusz dla projektantów systemów elektroniki kosmicznej, ale muszą jakoś sobie radzić w tej nowej sytuacji.

    Wojskowi i lotnicy nadal zachowują konserwatywne podejście do korzystania z elementów komercyjnych. Ponieważ stosowane dotychczas rygorystyczne przepisy dotyczące kwalifikacji urządzeń okazały się bardzo skuteczne i nikt nie chce ryzykować. Istnieje jednak społeczność nowych programistów, którzy mają większą tolerancję na ryzyko, ale oczekują znacznie niższych kosztów komponentów. Rosnąca popularność małych satelitów jeszcze bardziej zachęciła do takiego podejścia, ponieważ koszt awarii takiego urządzenia jest niższy, a konstelacje małych satelitów można wykorzystać do zapewnienia redundancji na poziomie całego systemu, aby skompensować pojedynczą awarię satelity. (SmallSat - małe satelity - to zazwyczaj ważący mniej niż 300 kg, sztuczny satelita na orbicie okołoziemskiej).

    W sektorze istnieją obecnie dwa obozy. "Tradycyjny" obóz ma niską tolerancję na awarie, ale płaci najwyższą kwotę za systemy rad-hard i układy scalone dedykowane do zastosowań kosmicznych. Mają one sporo wad - zazwyczaj uważa się je za dalekie od aktualnego stanu techniki, ale są one wysoce bezawaryjne. Obóz "nowego podejścia" ma bardziej swobodne podejście do zapewnienia bezpieczeństwa misji i jest chętny do korzystania z tańszych urządzeń komercyjnych, które korzystają z najnowszych technologii. Biorąc pod uwagę, że ogromna większość nowych satelitów kosmicznych jest wykorzystywana na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), gdzie natężenie promieniowania jest mniej ekstremalne, ryzyko katastrofalnej awarii wywołanej promieniowaniem jest mniejsze (orbita LEO znajduje się od 300 km do 1000 km od Ziemi i znajduje się poniżej wewnętrznego pasa Van Allena).

    Wiele wskazuje, że członkowie obozu tradycyjnego zaczynają rozluźniać swoje surowe wymagania dotyczące kwalifikacji produktów półprzewodnikowych w celu wykorzystania najnowszych technologii w swoich projektach. Dowodem na to jest ich gotowość do używania elementów w plastikowych obudowach w misjach kosmicznych, w przeciwieństwie do tradycyjnych obudów ceramicznych. Z drugiej strony, nowy obóz kosmiczny uznał, że produkty COTS stanowią uzasadnione ryzyko, ale nadal rozsądnie wdrażają niektóre komponenty rad-hard w systemach elektroniki kosmicznej, aby zwiększyć niezawodność. Efektem tego wszystkiego jest to, że tradycyjni i nowi inżynierowie kosmiczni stopniowo zbliżają się ze swoimi podejściem do tworzenia systemów do siebie, wykorzystując tańszą, ale wciąż niezawodną i odporną na promieniowanie elektroniką.

    W ostatnich latach podjęto szereg inicjatyw mających na celu obniżenie wysokich kosztów tradycyjnych elementów kosmicznych i rad-hard. Inicjatywy te obejmują innowacyjne techniki produkowania urządzeń półprzewodnikowych, które wykorzystują komercyjne fabryki do produkcji dużych podłóż krzemowych, a także wykorzystanie komercyjnych IP (takich jak rdzenie ARM), które mogą być wykorzystane w układach scalonych rad-hard. Są też podejmowane kroki w celu utworzenia plastikowych obudów dla elementów elektronicznych, która nadaje się do użycia w przestrzeni kosmicznej. Wszystkie te środki obniżają koszty komponentów rad-hard, aby ułatwić spełnienie wymagań tak tradycyjnych i jak nowych twórców systemów do pracy w przestrzeni kosmicznej.

    Układy komercyjne i wzmocnione w systemach kosmicznych


    Podejściem, które staje się coraz popularniejsze, szczególnie w sektorze CubeSats, jest "rozsądne" wykorzystanie elementów utwardzonych - w zakresie realizacji krytycznych funkcji systemu i jako monitor bezpieczeństwa lub sprzętowych watchdog nadzorujący prawidłowe działanie pozostałych, klasycznych elementów używanych w systemie. To hybrydowe podejście pozwala zespołowi projektowemu na wdrożenie funkcjonalnej bazy układów rad-hard w połączeniu z najnowocześniejszymi technologiami komercyjnymi. Dobrym przykładem może być użycie procesora graficznego w małym satelicie, który wymaga szybkiego przetwarzania obrazu z kamery pokładowej. Komercyjny procesor graficzny nie może sam przeciwdziałać skutkom promieniowania, ale może być zarządzany przez urządzenie rad-hard, aby zapewnić jego prawidłowe działanie i resetowanie, jeśli jego działanie jest zakłócone przez efekty promieniowania.

    Korzystanie z wielu kopii redundantnych układów jest nadal popularnym podejściem, ale staje się to coraz trudniejsze ze względu na rozmiar satelitów. Wciskanie wielu funkcjonalności w obudowę CubeSat jest wartościowe, ponieważ obniża koszty umieszczenia systemu na orbicie i daje opcji wyboru pojazdu startowego. Samo w sobie to jest już dostatecznie trudne, więc implementowanie redundantnych układów we wnętrzu urządzenia bywa niemożliwe.

    Jednym z głównych czynników wpływających na koszt i niezawodność elektroniki wykorzystywanej w przestrzeni kosmicznej jest oprogramowanie. Mając dostęp do najnowocześniejszych narzędzi programistycznych i środowisk deweloperskich jest z pewnością ważnym czynnikiem, wpływającym na tworzenie niezawodnego kodu. Dodatkowo, tworzenie bloków kodu i bibliotek, które są już przetestowane, pozwala na wielokrotne ich wykorzystywanie, a co za tym idzie - na redukcję kosztów tworzenia nowego oprogramowania. Finalnie, jak regularnie zaznacza środowisko nowocześniejszych projektantów elektroniki kosmicznej - układy, w których więcej rzeczy jest realizowane programowo, mogą być prościej projektowane, modyfikowane itd., a to także przekłada się na redukcję kosztów.

    Koszt projektu i budowy małego satelity może się wahać; zależy od tego, kto go projektuje, dla kogo, kto umieszczać będzie go na orbicie, a także od tego, na jakiej orbicie i jak długo ma pracować. Analiza kosztorysu tworzenia tego rodzaju urządzenia pokazuje, że wykorzystywanie tylko komercyjnych układów, zamiast elementów rad-hard, daje oszczędności na poziomie kilku tysięcy dolarów - to niewielki odsetek całkowitych kosztów stworzenia takiego systemu. Dlatego też większość projektantów skłania się kuwykorzystywaniu układów utwardzonych w najbardziej krytycznych systemach urządzenia. W przyszłości wiele może się zmienić, z uwagi na zwiększoną dostępność nowoczesnych układów rad-hard, jednakże póki co niektóre układy nie są dostępne w takim wykonaniu.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/bannatyne/articles/the-convergence-of-traditional-and-new-space-electronics-solutions

    Od redakcji: Czy interesuje Was elektronika kosmiczna? Może powinniśmy na łamach forum poświęcić jej trochę więcej miejsca, aby przedstawić, jak projektuje się systemy rad-hard czy o innych, podwyższonych parametrach, związanych z pracą w trudnych warunkach czy zwiększoną niezawodnością. Jeśli tak, skomentujcie poniżej, co Was interesuje, a opracujemy odpowiedni materiał. :)

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9214 postów o ocenie 6760, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Licencja Pulsonix
  • #2
    kowal011
    Poziom 17  
    Ciekawe. Mam okazję widywać różne wynalazki odporne na trudne warunki i zauważam (powolny bo powolny ale jednak) postęp. Czy to "nowe" jest trwalsze? Hmm nie sądzę. Za to na pewno tańsze/mniejsze. Stare też miewa usterki mimo tego, że jest "gniotsa-nie łamiotsa". W nowoczesnych rozwiązaniach znacznie częściej można trafić na buble już na etapie projektu/pomysłu i nieraz wręcz niewyobrażalny overenginering. Nic tylko wpuścić tam jeszcze ROHS :| Mam wrażenie, że tendencja "bardziej swobodne podejście do zapewnienia bezpieczeństwa przy dopracowaniu konstrukcji" jak inne dobre i złe rzeczy przybywa zza oceanu. Paradoksalnie to tam powstają najsurowsze wytyczne odnośnie bezpieczeństwa i procedur wszelakich dla ptakopodobnych urządzeń.