Mikä on kosminen säteily?

Kosminen säteily on jatkuva virtaus korkea-energisiä hiukkasia, jotka ovat peräisin Maan ulkopuolelta. Näitä hiukkasia ovat protonit, elektronit, alfahiukkaset, ja raskaampi atomiydin, matkustaa relativististen nopeuksien.Tällainen kosminen säteily ympäristö koostuu kolmesta primaarista lähteestä: []galaktinen kosminen säteily (GCR)[]]] supernova ja aktiivinen galaktinen nukleiini, [-solior energinen hiukkaset (SEP)[[]]] aurinkopurkauksista ja koronaalimassan ejektiot, ja strapped säteily[[]].

Kosmisen säteilyn koostumus vaihtelee auringon aktiivisuuden, kiertoradan korkeuden ja leveysasteen mukaan. Auringon magneettikenttä on aurinkomaksimaalisena vahvempi, osittain kääntyvä GCR-aalto, mutta se lisää SEP-aaltoa. Alusalusten, jotka toimivat matalalla maapallolla (LEO), Etelä-Atlantin anomalian (SAA) alue altistaa elektroniikan nouseville protonien vuoille, kun taas planeettojenvälisten operaatioiden on kestettävä lieventämättömiä GCR-aaltoja ja ennalta arvaamattomia auringonnousutapahtumia. Tämän ympäristön ymmärtäminen on perusta avaruuselektroniikan suunnittelulle, joka voi selvitä monivuotisista tehtävistä.

Vaikutukset ilmailuelektroniikkaan

Kosminen säteily vaikuttaa puolijohdemateriaaleihin pääasiassa ionisaation ja atomin siirtymisen kautta. Tuloksena olevat vaikutukset luokitellaan laajasti [-yksitapahtumavaikutuksiksi (KES)[] ja -kumulatiivisiksi vaikutuksiksi[]. Jokainen luokka voi heikentää suorituskykyä, korruptoitua tietoa tai aiheuttaa suoran järjestelmän toimintahäiriöitä.

Yhden tapahtuman tapahtumat (SEU)

SEU-järjestelmä on käytössä, kun yksi energinen hiukkas iskee herkäen solmuun integroidussa piirissä ja aiheuttaa tilapäisen muutoksen logiikkatilassa. Yleensä se on "bittikäännös." Muistilaitteissa (SRAM-muistit, DRAM-muistit, flip-flops) tämä voi turmella tallennettua dataa, mikä aiheuttaa virheitä telemetriassa, navigointilaskelmissa tai tieteellisissä mittauksissa. Esimerkiksi 1990-luvulla [Galaxy IV -satelliitti koki SEU-järjestelmän aiheuttaman vikauksen ohjausprosessorissaan, mikä aiheuttaa satelliittien hakulaitteen ja viestintäpalvelujen menetyksen. Modernit järjestelmät lieventävät SEU-järjestelmää esimerkiksi kolminkertaisella modulaarisella murrolla (TMR) ja virhekorjaauksella (ECC), mutta mikään lieventäminen ei ole täydellistä.

Yksittäinen tapahtuma Latchup (SEL)

SEL[] on vakavampi vaikutus, jossa suurien energiahiukkasten aiheuttama loispiiohjattava tasasuuntain (SCR) -rakenne CMOS-laitteen sisällä. Tämä luo matalan impedanssin reitin tehon ja maan välille, mikä johtaa hallitsemattomaan virtavirtaan. Jos ei välittömästi keskeytetä, SEL voi aiheuttaa pysyviä vaurioita lämpöjuoksusta. Latchupeja on havaittu monissa satelliittiprosessorissa, mukaan lukien TIROS-N sääsatelliitit. Piirisuunnittelijat käyttävät suojarenkaita, pii-insulaattoreita (SOI) substraatteja ja virtarajoittimia salpautumisen herkkyyden vähentämiseksi.

Ionisoiva kokonaisannos (TID)

Ionisoivan säteilyn kumulatiivinen altistuminen vähitellen heikentää elektronisia komponentteja. Ionisoivan kokonaisannoksen (TID) mittauksen aikana mitataan rad- (Si) tai Grays-arvoina.

  • Kynnysjännitesiirtymät MOSFET-transistoreissa, jotka muuttavat kytkentänopeuksia.
  • Lisääntyneet vuotovirrat digitaalisessa logiikassa.
  • Voimalaitteiden häiriöjännite on vähentynyt.

Hubble Space Telescope[] on vaatinut säännöllistä huoltoa korvaamaan osittain TID:n heikentämän elektroniikan Van Allen -vöistä. Pitkäkestoisten Mars- tai Jupiter-lentojen osalta TID-karkaistut osat, joiden kelpuutukset ovat 100 krad(Si) tai korkeammat, ovat pakollisia.

Siirtovahingot (DD)

Siirtovaurio[] ilmenee, kun suurien energiahiukkasten törmää atomin kanssa puolijohdelattiaan, kun se putoaa paikaltaan. Tämä tuo mukanaan kristallivirheitä, jotka toimivat yhdistelmäkeskuksina, mikä vähentää kantolaitteen elinikää. Poikkeamavaurio on erityisen ongelmallinen optoelektroniikalle, kuten CCD:ille, fotodiodeille ja aurinkokennoille. [Cassini[ -tehtävä Saturniin koki 10 prosentin menetyksen aurinkokennojen tehonotossa Jupiterin loukkuun jääneen säteilyn aiheuttaman siirtymävaurion vuoksi.

Häiriöstrategiat

Tehokas hillitseminen edellyttää monikerroksista lähestymistapaa, joka kattaa komponenttien valinnan, piirisuunnittelun, pakkaukset ja käyttöohjelmistot. Yksittäinen menetelmä ei tarjoa täydellistä suojaa, joten insinöörit yhdistävät tekniikoita, jotka perustuvat tehtävän riskinsietokykyyn ja resurssirajoitteisiin.

Säteilysuojatut komponentit

Säteilykarkaistu (rad-kova) elektroniikka[] on erityisesti suunniteltu kestämään korkea säteilytaso.

  • Silicon-on-insulataattori ja Silicon-on-Safiiri (SOS)[] .
  • Lähikaistaiset puolijohteet (SiC, GAN) .
  • Täysin ehtyneet prosessit[ .
  • Punaisporttioksidit .

Kaupallisia off-the-shell (COTS) komponentteja käytetään joskus halvempiin tehtäviin, mutta ne vaativat huolellista seulontaa ja koristelua. [SpaceX Starlink[] -konstellaation avulla käytetään joitakin COTS-osia, joissa on valikoivia kovettumis-, mutta niiden halpa filosofia edellyttää usein korvaamista.

Suojaus

Suojaus vähentää hiukkasvirtaa absorboimalla tai hajottamalla hiukkasia massan läpi. Tyypillisiä ilmailu- ja avaruusmateriaaleja ovat:

  • alumiini[ ... kevyt ja vahva, tarjoaa kohtalaisen suojan protoneja ja elektroneja vastaan.
  • Polyetyleeni[ .
  • ]Tungsten ja tantaali[ .
  • Komposiittikilvet[ (esim. hiilikuitu boorilla kuormitettujen kerrosten kanssa) ... .........................................................................................................................................................................................................................

Aktiivinen suojautuminen magneettisilla tai sähköstaattisilla kentillä on edelleen kokeellista (esim. ]Sähköstaattinen säteilysuoja[]] NASAn ehdottamaa), mutta massa- ja tehorajoitukset estävät nykyisten satelliittien käyttöönoton. Passiivinen suojaus on tosiasiallisesti standardi, vaikka suunnittelijoiden on punnittava massasakko hyötykuormaa vastaan.

Virheen havaitseminen ja korjaaminen (EDAC)

Digitaalisilla järjestelmillä voidaan toteuttaa virheiden suojausta useilla tasoilla:

  • Hamling codes / Reut-Solomoni koodit[ .
  • Kolmiosainen porrastus (TMR) .
  • Watchdog ajastimet[ .
  • Kihdistöpesurit[ .

Nämä tekniikat lisäävät latenssia ja tehoa yläpuolella, mutta turvallisuuskriittisissä järjestelmissä, kuten [], ruuvattu avaruusalusten ohjaus[, ne ovat välttämättömiä. [ Space Shuttle[] käytti nelinkertaista ja sataprosenttista lennonohjausjärjestelmää, jossa on äänestyspiirejä.

Suunnittelu- ja asettelutekniikat

Piirin ulkoasun tasolla insinöörit käyttävät [ suojarenkaita[] keräämään loisvirtaa ja [] -kondensaattoria, joka estää jännitevikoja. Virtausmoduuleja ja [ -suojarenkaita käytetään [] - ja -] -vivun näytössä (mikä lisää kriittisen jännitteen tarvetta) ovat myös yleisiä. Analogisten ja yhdistettyjen osien osalta -] -virta-moduuleja käytettäessä logiikka [ ja [ -] -vivun viitteet [[] - analogisten ja sekundiittien avulla ylläpidetään stabiliteettiä.

Tutkimus ja tuleva kehitys

Jatkuvaa tutkimusta ohjaavat tarve pidempikestoisiin tehtäviin (esim. ihmiskartoitus), pieniin satelliitteihin (suojausrajoitteiset CubeSat) ja suorituskykyisempään elektroniikkaan (esim.

Suojauksen kehittyneet materiaalit

Nanokomposiitti[], joka sisältää boorinitrioksidin nanoputkia tai grafeenioksidia, lupaa paremman energianabsorption massayksikköä kohti. [Selfi-parannusmateriaalit[], jotka voivat korjata säteilystä johtuvia vikoja, tutkitaan laajennettuja tehtäviä varten. [ESAn "Dr. Shield"-ohjelma tutkii isotrooppista pyrolyyttistä grafiittia kevyenä, korkealämpöisenä johtokykyisenä suojana.

Säteilykarkaisu ohjelmistolla

Junaohjelmisto voi parantaa järjestelmän sietokykyä. Esimerkiksi automaattiset uudelleenharjoittelumekanismit, kriittisen toiminnan poissulkemisvyöhykkeet SAA-väylän aikana sekä mukautuva jänniteskaalautuminen kompensoimaan TID-siirroksia. NASAn cFE (Core Flight Executive)[] sisältää vikan havaitsemisen ja palautuksen kehyksen, joka voidaan räätälöidä säteilyympäristöihin.

Koneen oppiminen anomalian havaitsemiseen

Tulevaisuuden satelliitit voivat käyttää etämittausta varten koulutettuja koneoppimismalleja ennakoimaan tulevia sulkuja tai suorituskyvyn heikkenemistä. [Säteilyn valvonta [] prototyyppi, joka on kehitetty Stanfordin prosesseissa, livehiukkasilmaisindataa, jotta osajärjestelmän irtoaminen voidaan säätää reaaliajassa.

In-Situ testaus ja mallinnus

Säteilyympäristön tarkka mallintaminen on ratkaisevan tärkeää. Työkalut kuten [SPENVIS (ESA) ja [CREME96[] (NASA) simuloivat hiukkasvuoita eri kiertoradoille. Uudemmat mallit sisältävät aurinkosyklin vaihteluita ja geomagneettisia katkaisuja, joissa on suurempi uskollisuus. Maapohjainen testaus protonisyklotronien ja raskasionin kiihdyttimien avulla (esim. ] GANIL[] Ranskassa tai [TRIUMF[ Kanadassa) validoi komponentin käyttäytymisen ennen laukaisua.

Tulevaisuuden missiot innovoinnin vauhdittajana

NASA:n ] Europa Clipper[ kiertää Jupiterin kuun intensiivisten säteilyvöiden kautta, mikä edellyttää elektroniikan sietokykyä yli 100 krad(Si). [ James Webb Space Telescope[] toimii L2:ssa, jossa GCR-vuot ovat korkeampia kuin LEO; sen päätietokone käyttää rad-kovaa PowerPC-prosessoria, jolla on laaja EDAC. Artemis[[]]-ohjelma pyrkii palaamaan Kuuhun, jossa laajennettu pinta pysyy altistaa laitteet aurinkohiukkasille ilman Maan magneettista suojausta. Nämä operaatiot työntävät nykyisen teknologian rajoja.

Päätelmät

Kosminen säteily on edelleen yksi kaikkein houkuttelevimmista uhista ilmailu- ja avaruuselektroniikalle, joka vaikuttaa suoraan mission luotettavuuteen, turvallisuuteen ja elinaikaan. Yksittäisten tapahtumien aiheuttama häiriö ja kumulatiiviset siirtymävauriot ovat hyvin ymmärrettäviä, mutta niiden lieventäminen edellyttää tasapainoista yhdistelmätä erikoiskomponenttien, älykkään suunnittelun ja operatiivisten suojatoimien välillä. Kun ihmiskunta pyrkii syvemmälle aurinkokuntaan ja ottaa käyttöön yhä kyvykkäämpiä satelliitti tähtikuvioita, säteilyefektien suunnittelusta saadut opetukset vain kasvavat tärkeäksi. Uudet materiaalit, pitkälle kehittyneet virheiden korjaus ja tekoälyyn perustuva vikahallintalupaus laajentaa elektroniikan operatiivista valikoimaa yli sen, mikä oli mahdollista vuosikymmen sitten. Perusperiaate kuitenkin pitää sisällään: ymmärtää ympäristöä, koventaa järjestelmää ja jatkuvasti varmentaa suorituskykyä reaalimaailman hiukkasvuoissa. Insinöörit ja tutkijat, jotka hallitsevat tätä kurinalaisuutta, mahdollistavat avaruusaluksen, joka yhdistää, tarkkailla ja tutkia universumiamme.