Table of Contents
مقدمة: البارد غير المغتفر للبيئة الفضائية
إن تصميم الدوائر الإلكترونية لعملية منخفضة الحرارة في البعثات الفضائية هو أحد أكثر التخصصات احتياجا في هندسة الفضاء الجوي، وفي حين أن الخيال الشعبي كثيرا ما يصيب حرارة العودة إلى الأرض أو الفراغ في الفضاء كعقبات أولية، فإن درجة الحرارة الشديدة تشكل خطراً كبيراً على موثوقية وطول الكترونيات المركبة الفضائية، وبعيداً عن الغلاف الجوي الذي توفره الأرض، فإن درجات الحرارة في المناطق المظلمة() يمكن أن تهبط إلى درجة حرارة أقل من 0,4.
وهذه الظروف ليست غير مريحة فحسب بالنسبة للمعدات؛ فهي تغير أساساً فيزياء المواد شبه الموصلية، وتعطل السلامة الميكانيكية للمفاصل المباع، ويمكن أن تجعل المكونات التجارية الموحدة غير صالحة تماماً، ومن خلال اختبارات الصوت التي تؤذي من خلال الحيز المتقطع إلى التغطية التي تعمل في أجواء حرارة المريخ، يجب على كل بعثة أن تتنافس مع استراتيجيات الإنتاج المنخفضة.
"الفيزياء الفشل" "لماذا "الكولد" هو الضرر
وتؤثر درجات الحرارة المنخفضة على الدوائر الإلكترونية من خلال مزيج من آليات التحلل المادي والكهربائي والميكانيكي، ويشكل فهم أساليب الفشل هذه أساس أي تصميم قوي.
الناقلة فريزي أوت وشبه الموصل بيهافيور
ويتوقف موصلو الشبهات على الجيل الحراري من ناقلات الشحن (الكهرباء والثقوب) على التيار، فمع انخفاض درجة الحرارة، تهبط تركيزات الناقلات المتأصلة في البتروجينات بشكل متقطع، وفي النسيج، فإن المقياس الذي يبلغ 1.12 كيلوفولت هو الذي يمتد بدرجة حرارة مبردة (يبلغ أقل من 200 درجة مئوية) يتحول إلى تضخم مؤثرات.
المقاولة الحرارية والإجهاد الميكانيكي
(ج) أن تكون جميع المواد التي تُبرَّد، ولكنها تفعل ذلك بمعدلات مختلفة، وأن معامل التوسع الحراري لمجموعة من المواد السهرية يختلف اختلافاً كبيراً عن مسار النحاس أو تحت سطحي، وعندما يُخضع تركيبة من أجهزة التفكك المضغوطة المطبوعة للتقلب الحراري السريع أثناء الإطلاق أو عند الانتقال بين مراحل مدارية متداخلة ومتغيرة، يُحدث إجهاداً متداخلاً.
Fracture and Material Degradation
ويمكن أن تصبح المعادن التي تظهر سلوكاً من الخلايا في درجة حرارة الغرفة متقلبة عند درجات حرارة منخفضة، وقد تتحول المواد المباعة على أساس القصدير، ولا سيما السبيكات التقليدية التي تستخدم في الفلين، إلى درجة حرارة حرجة من الخناق، ويمكن أن تتطور الطين النقي تحت الصدر، مع التحول التلقائي من القصدير الفلزي (القصدير الأبيض) إلى درجة حرارة ألفا (القصدير).
زيادة عدد حالات التسرب والنواحي
فبينما يخفض تجميد الناقلات في بعض الأجهزة، تتفاقم الآثار الطفيلية الأخرى، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تصبح تيارات الانفاق في أكاسيد البوابة الرقيقة أكثر أهمية نسبياً في درجات الحرارة المنخفضة لأن مستوى الفرن يتحول. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الضوضاء الحرارية (ضوضاء جوسون - نايكيت) ترتفع تناسبياً مع درجة الحرارة المطلقة، التي قد تبدو مفيدة.
استراتيجيات تصميم للالكترونيات الآلية المنخفضة القدرة على المنافسة
ويتطلب التغلب على هذه التحديات اتباع نهج شامل يدمج علوم المواد، والهندسة المكوّنة، وأطباء الدوائر، والتحكم الحراري.
Material Selection: The First Line of Defense
ويقضي اختيار المواد الفرعية والسلوكية والحمائية ومواد التغليف باحتمالية الدائرة الأساسية.
المناطق الفرعية ونسبة المناقصات
أما البُعد الثمين للثديين والثديين فيكون حرارة انتقالية زجاجية تبلغ نحو 130 درجة مئوية، كما أن هناك حرارة حرارة حرارة حرارة حرارة تبلغ نحو 14 إلى 18 درجة مئوية في الطائرة x - 1، وهي عوامل يمكن أن تضلل بحزم الخزف (CTE 6-8 جزء من المليون/س) أما بالنسبة للتطبيقات الفضائية المنخفضة الترام، فتمثل درجات الحرارة القصوى (400 درجة مئوية) فتمثل السلوك
الجنود والوصلات
ولا يزال الباع البخاري (Sn63Pb37) خياراً موثوقاً به بالنسبة للتجمعات ذات الدرجة الفضائية بسبب خصائصها الميكانيكية الجيدة الصنع ومقاومة الآفات المحتوية على القصدير، غير أن الأنظمة والموثوقية تدفع الصناعة إلى إيجاد بدائل خالية من الرصاص.
التكليف والتعبئة
(ب) حماية المعاطف المطابقة (مثلاً، باريلين سي، سيليكون، أو أكريك) من تكديس الرطوبة، والتلوث الجسيمي، وتصريف الكارونا في الفراغ، غير أنه يجب اختيار المعاطف لكي تظل مرنة عند درجة حرارة منخفضة وليس متصدعة، وقد تستخدم باريلين جيم على نطاق واسع لأنها مطابقة للمواقد الجيولوجية المعقدة وتحافظ على الأداء في جميع درجات الحرارة الفضائية(4).
العنصر: ما بعد صحيفة البيانات
والمكونات التي تُسمى " نطاق درجات الحرارة المتناهية " (-55 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية) هي نقطة انطلاق، ولكن البعثات الفضائية العميقة تتطلب أجزاء تتميز بدرجة حرارة أقل بكثير، وكثيرا ما تظهر عناصر ثاني أكسيد الكربون الافتراضية الفشل الوظيفي أعلى بكثير من 100 درجة مئوية.
موصلات شعاعية - سديدة
وتُختلق أجزاء من مؤسسات مثل هونويل، ومنظومات BAE، وأجهزة الإلكترونية، عادة على عمليات متخصصة (مثلاً، الموصلات أو الموصلات) التي توفر في جوهرها نطاقات أوسع من درجات الحرارة التشغيلية، وتخفض هذه العمليات من معدلات التقادم والتسرب الطفيلي.
Capacitors
وتعاني أجهزة الاستنشاق من الدرجة الثانية (X7R، X7U) من انخفاض حاد في درجة الحرارة المنخفضة بسبب خصائص البطاقات الأسمدة؛ ويمكن أن تنخفض أقصاؤها بنسبة 70 في المائة أو أكثر عند - 150 درجة مئوية. أما السيراميات من الفئة 1 (C0G/NP0) فهي مستقرة في حدود 30 جزء من المليون/س، وهي معيار لقابلية التحلل الرئوي.
المصممون
ويظهر مقاومو أفلام الكربون معاملاً سلبياً كبيراً في درجات الحرارة المنخفضة، مما يجعلهم غير مناسبين، ويفضل مقاومو الأفلام المعدنية (+50 إلى + 100 جزء من المليون/س) ومقاومو الأفلام الرقيقة (+25 إلى +50 جزء من المليون/س) ويمكن للمقاومين على الموجات السائلة أن يقدموا قدراً منخفضاً جداً من الترميز، ولكنهم يُستخدمون في استخدام شبكات مقاومة للارتداد.
Connectors and Wiring
ويجب أن يُقيَّم الموصلون للتدوير الحراري والتقلبات المنخفضة، إذ أن موصلات السلسلة ML-DTL-38999 تستخدم على نطاق واسع في الفضاء بسبب تصميمها القوي للقذائف، والاتصالات التي تمنعها من الارتطام، والقدرة على تحمل اليقظة والتطرف الحراري، ولا يجب أن يصبح عزل الزوجات رشوة؛ وخيارات التطهير من السائل المنوي (PTFE) وتعددية (كابتون) هي من المزيارات.
علم الأحياء والتكنولوجيا الحيوية
وحتى مع المكونات الصحيحة، يجب أن تكون هياكل الدوائر مرنة، وينبغي أن تكون مراجع الفولط البندي، التي تكون معدَّلة بدرجة الحرارة، لا تعمل إلاّ على نحو 55 درجة مئوية.
إدارة حرارية: إبقاء الباردة في خليج
ولا تكتمل مناقشة الإلكترونيات المنخفضة الحرارة دون استراتيجية شاملة للإدارة الحرارية، والهدف ليس فقط البقاء على قيد الحياة بل الحفاظ على المكونات في نطاق عملها المحدد مع التقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة.
Insulation
وتستلزم بطانات العزل المتعدد الطوابق، التي تتألف من طبقات عديدة من كابتون مُخَلَّم أو مايار مُنفصلة عن مواد حواسيب فضائية منخفضة الإنتاجية، الوسيلة الرئيسية للمراقبة الحرارية السلبية، وتُظهر هيئة التصنيع العسكري الإشعاعي الخافت وتخفض من نقل الحرارة السلوكية، أما بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، فإن أجهزة الكشف الرغوة أو الوصل الهوائي يمكن أن تستخدم حيثما يسمح بذلك الوزن.
أجهزة التسخين
وكثيرا ما يُطلب من أجهزة التسخين الجاهزة الاحتفاظ بالأجهزة الإلكترونية فوق درجة حرارتها الدنيا أثناء فترات الكسوف أو التحلل، وهي عادة مسخنة مقاومة (تسخانات أفلام كابتون أو حرائق الحرير المرنة) مربوطة بمكونات أو مضبوطات حرارة، وتتحكم في طاقة التسخين بواسطة أجهزة التدفئة أو أوامر حاسوبية للرحلات.
مواد الشحن
وتستوعب مواد تغيير المرحلة مثل شمع البارافين أو هيدرات الملح الحرارة عندما تذوب وتطلقها عندما تُصقل وتُستخدم لتعطيل درجات الحرارة أثناء الانتقال المداري، مثلاً، يمكن للمغسلة الحرارية التابعة لجهاز PCM أن تستوعب الحرارة التي تولدت أثناء انتقال سريع من الطاقة العالية، ثم تطلقها ببطء خلال فترة من الخردل الباردة، مما يقلل من احتياجات الطاقة الحرارية.
Thermal Straps and Heat Pipes
ويجب أن تُجرى عمليات التسخين التي تنتجها الإلكترونيات (حتى في درجات حرارة منخفضة، وتُتحلل الطاقة الكهربائية) إلى أجهزة للتسخين المفرط، وتُزيل المصابيح الحرارية المرنة التي تُصنع من صحائف الجرافات الحرارية المرنة أو النحاس المشبع بالتوترات، وتُوفر مسارات حرارية منخفضة المقاومة عبر خطوط الهرم أو وصلات متحركة.
الاختبار والتقدير: إثبات الموثوقية في المنافذ المحاكاة
وقبل بدء أي دائرة، يجب أن تخضع لفحص دقيق يُذكر الظروف الحرارية والمكنسة للفضاء، فالتقييم غير التدميري والاختبار المعجل للحياة أمران أساسيان لكشف حالات الفشل المبكر والتحقق من الهامش.
الاختبار الحراري
(أ) تجمع غرف الفراغ الحراري بين بيئة فراغ (تحت أدنى من 1x10-5 ترر) مع دوارة درجة الحرارة، ويحدّد موجز الاختبار المعياري للعديد من بعثات المدار الأرضي من خلال ML-STD-810 أو GASA GEVS (معيار التحقق البيئي العام) ويمكن أن تكون دورة قياسية نموذجية للخط التليفزيوني بين 120 درجة مئوية و +85 درجة مئوية على عشر دورات أو أكثر، مع رصد فترات زمنية طويلة من كل ناتج باستمرار.
اختبار الحياة المعجلة والحرق
ومن أجل تقييم الموثوقية الطويلة الأجل، تستخدم اختبارات الحياة المعجلة التقلبات الحرارية بمعدلات أسرع )مثل ١٥ درجة مئوية/متر( ونطاقات أوسع مما كان متوقعا في التحليق، والهدف هو تحفيز آليات الفشل التي ستستغرق سنوات أخرى لتظهر، والاختبار الحراري للصدمة )النقل المكثف بين الحمامات الساخنة والباردة( فعال بشكل خاص في التخلص من مواد الرشوة وسوء المفاصل.
التصنيع الكهربائي المنخفض التمرين
تسمح محطات اختبار الأشعة المتخصصة بقياس دقيق لبارامترات أجهزة شبه الموصل عند درجات حرارة تصل إلى 4.2 كيلو متر (هيليوم السائل) وهذه الاختبارات ضرورية للتحقق من دقة نموذج نظام سبيس و محاكاة الدوائر المعايرة.
اختبارات التصويب والصدمات الميكانيكية
ومن ثم فإن اختبارات التليفزيون في كثير من الأحيان تقترن بموجزات تهوية (حبوب ورش) لتحفيز البيئة الحرارية الميكانيكية المقترنة، وتوضع مقاييس العجلات وقياسات الإجهاد على ثنائي الفينيل متعدد الكلور وحزم المكونات لرصد مستويات الإجهاد، وتتحقق هذه الشهادة من أن التجمع يمكن أن ينجو من الحمل المشترك دون وجود صدع أو متقطع.
الرصد والتطبيب عن بعد في الموقع
وخلال جميع الاختبارات، تسجل قياسات تليفزيونية واسعة النطاق: أجهزة استشعار درجة الحرارة (الصدمات الحرارية، أو أجهزة التلقيم المبسّط) في مواقع متعددة، ومراقبي فولتاغ وحاليات، ومؤشرات صحية من الدائرة نفسها. [(FLT:0]) تستخدم البيانات المستمدة من هذه الاختبارات لوضع نماذج حرارية وكهربية تنبّئ سلوكيات في المدار [FLT: constraints].
التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية
وتتوسع حدود الإلكترونيات المنخفضة الحرارة بسرعة، مدفوعة بالفرص العلمية والتجارية على السواء.
Silicon-Germanium (SiGe) BiCMOS for Cryogenic Operation
وقد أثبت مترجمو ثنائي القطب من طراز SiGe Heterojunction (HBTs) الأداء غير المسدد إلى 4.2 K بل وأقل، وتخلق هندسة الضمادات في قاعدة سيغي مجالاً منفتحاً يعزز النقل الإلكتروني، مما يجعل عمليات التجميد التي يقوم بها الناقل غير مهمة.
موصلات شبه عسكرية واسعة النطاق
ويعرف النتريد الغاليوم (GaN) وكاربيد السيليكون (SiC) عادة بالتطبيقات العالية القوة والارتفاعية، ولكنهما يظهران أيضا سلوكا ملحوظا عند درجات حرارة منخفضة.
Flexible Hybrid Electronics
وتوفر الدوائر المطبوعة المرنة والإلكترونيات المطبوعة على مقاطع البوليميتيدات الفرعية حلولاً خفيفة الوزن وقابلة للتطابق تستوعب عادة الانكماش الحراري والهتزازات، وتسمح عمليات التمهيد في مجال التصنيع الإضافي (مثل طباعة الطائرات المحتوية على التكتلات وتركيب الموائل) بالطباعة المباشرة للأثريات السلوكية، وطبقات الديكلتري، وحتى المواد شبه الموصلية في الأجهزة الإلكترونية المرنة.
Carbon-Based Electronics
وتظهر نانووب الكربون والرسوم البيانية خصائص كهربائية وميكانيكية استثنائية، وهي مستقرة في جوهرها عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، وقد ثبت أن مترجمات الأشعة المتطورة التي تستخدمها الشبكة الدولية للمركبات تعمل من 4 كيلو إلى 400 كيلو مع الحد الأدنى من تفاوت الأداء، وأن ناقلات غرافين العالية (نحو 200 ألف سم2/Vs) وباحثين في مجال الدمج الصفري يجعلون من الصعب تحديد المنطق
الكترونيات حاسوبية كمية في الفضاء
ومع التحركات الكمية في مجال التطبيقات العملية، فإن نشر مجهزات كمية في الفضاء يتيح مزايا مثل الاهتزاز المفرط والوصول إلى التبريد الطبيعي، ويجب أن تعمل شبكات التحكم الإلكترونية (القراءة والتبريد والتصويب) في درجات حرارة الميلكيلفين في إطار ثلاجة التحلل، بينما تتولى الأجهزة الإلكترونية المسببة للاختبارات في المستقبل توليد الإشارات واقتناءها.
خاتمة
إن تصميم الدوائر الإلكترونية للبعثات الفضائية المنخفضة الحرارة هو تخصص هندسي متعدد الأوجه يتطلب تدبير الفيزياء شبه الموصلية، وعلم المواد، والإدارة الحرارية، ومنهجية الاختبار الصارمة، وتكرار التحديات: تجميد الناقل، والإجهاد الحراري، والحشرة العصية، والكسر في العشب، وزيادة قابلية التأثير الإشعاعي، يمكن أن تؤدي إلى انتقاء عناصر إلكترونية قوية من خلال المراقبة النهائية.
إن التكنولوجيات الناشئة مثل سيغي بي سيموس، وشبه الموصلات الواسعة النطاق، والإلكترونيات الهجينة المرنة، والدوائر القائمة على الكربون تعد بزيادة الحدود، حيث أن البشرية تستعد للعودة إلى سطح القمر، وتقيم وجودا دائما للمريخ، وترسل المسيرات إلى الآذان الضخمة الجليدية والوسيلة المتقاطعة، والقدرة على تصميم القدرات الهندسية الباردة التي تزدهر في العالم البارد.