מבוא

גלגלי התגובה הם העורכים הלא-מרוסים של בקרת הגישה של החללית, המאפשרים אוריינטציה מדויקת להתבוננות באדמה, תקשורת ומשימות מדעיות.עם זאת, סביבת החלל מציגה אתגר עצום: קרינת קרינת בצורת חלקיקים אנרגטיים שיכולים להשחית או להפיג את הפעולה האלקטרוניקה העדין לשלוט בגלגלים האלה.

תגובות על גלגלים: עקרונות ושותפים קריטיים

כיצד פועל הגלגל

גלגל תגובה הוא למעשה תחנת מנוע גלגל על חללית.על ידי שינוי קצב הספין של הגלגל, החללית משמרת מומנטום זוויתי מסתובב בכיוון ההפוך - מבלי לבזבז דחף.זה מאפשר חלקה, נמוך מדגיש חיוני עבור הדמיה גבוהה ותקשורת לייזר.

מערכת אלקטרוניקה Key Electronic Subsystems

גלגלי התגובה המודרניים משלבים מספר רכיבים אלקטרוניים רגישים:

  • (FLT:0)Motor מניע אלקטרוניקה אלקטרוניקה 1 - Power MOSFET, מנהלי שער ובקרי PWM אשר מסדירים את מהירות הגלגל.
  • (FLT:0Speed חיישנים מהירים) 1 (בדרך כלל חיישני אפקט הול או פותרים המספקים משוב ללולאה הבקרה.
  • (FLT:0)Control LogicFLT:1 - FPGAs, microcontrollers, או ASICs מוקרן קרינה המבצעת אלגוריתמים של בקרת גישה.
  • (FLT:0) Power VariationFLT:1) - DC-DC ממירים ומסננים המספקים מתח נקי למנוע וללוגיקה.

כל אחת מהמערכות התת-מערכתיות הללו נחשפה לסביבת הקרינה החלל המלאה, לעתים קרובות עם הגנה צנועה בלבד מפני כוחות החלל.

סביבת הקרינה החלל

Rays קוסמים גלקטיים (GCR)

GCRs הם גרעינים אנרגטיים מאוד (בעיקר פרוטונים חלקיקים אלפא) המגיעים מחוץ למערכת השמש. האנרגיות שלהם נע בין עשרות מ"ר למספר GeV, מה שהופך אותם מאוד חודרים. GCR בגבהים טיפוסיים של LEO נמוך אך קבוע, והוא עולה עם מינימום סולארי כי השדה ההליוסי נחלש.

אירועים חלקיקים סולאריים (SPEs)

במהלך התלקחויות הסולאריות או הזרקות המוניות הכליליות, השמש פולטת התפרצויות של פרוטונים וצלים כבדים יותר באנרגיות עד מאות מ"ר SPEs הם בלתי צפויים ויכולה להימשך משעות עד ימים. אירוע גדול יכול להעלות את השטף על ידי פקודות של גודל, מתן רמות מסוכנות של מנה מלאה בזמן קצר ולגרום להפרעות מרובות באלקטרוניקה לא מוגן.

קרינת קרינה טרמפ

השדה המגנטי של כדור הארץ מחזיק באוכלוסיות של אלקטרונים אנרגטיים ופרוטונים בחגורת ואן אלן.עבור משימות מסלול כדור הארץ נמוך, החגורה הפנימית (בעיקר פרוטונים עד 400 MeV) והדרום אטלנטיק אנומליה (SAA) מציבה את הסיכון הגדול ביותר. SAA חושפת חללית לשטף פרוטונים עזים במהלך כל מעבר, מנה מגובשת במהירות וגורמת ל"נקודות נוחות".

(FLT:0Key תובנה: אנדרט 1) הסביבה המדוייקת של גלגל תגובה חוויות תלוי בגובה מסלול, נטייה, ומחזור מחזור השמש. לוויין גיאוגרפי רואה פרופיל איום שונה מאשר חללית של LEO הקוטב.

השפעות קרינה על אלקטרוניקה

קרינה פוגעת ברכיבים אלקטרוניים באמצעות שלושה מנגנונים עיקריים.כל אחד משפיע על אלקטרוניקה של גלגל התגובה בדרכים נפרדות.

תופעות לוואי (SEE)

כאשר חלקיק אנרגטי יחיד מכה צומת רגיש במוליכים למחצה, הוא יכול לייצר ענן מטען כי מהפך תא זיכרון, גורם לנצ'פ, או אפילו לשרוף טרנזיטור כוח.

  • (FLT:0) , Upsets (SEUssib)FLT) 1 - bittails in Speed חיישן משוב לרשום או לשלוט בזיכרון ההיגיון.ערך חד-משמעי יכול לגרום למערכת בקרת הגישה לשלוט על מומנט שגוי, שעלול לזרז את החללית מצביעה.
  • (FLT:0) אירוע צ'ינגלה (SELVER)FLT:1 - מקטור טפילי עובר במעגל CMOS, יצירת נתיב של הפחתה נמוכה שיכול לגרום להתחממות יתר הרסנית.
  • (FLT:0Single Event Gate Rupture (SEGR)FLT 1:1 - ion כבד יכול לשבור את תחמוצת השער של כוח MOSFET, להרוס את הנהג.זה מסוכן במיוחד עבור הטרנזיסטורים בעלי הגדלה גבוהה בשימוש בקרים מנועים.

Total Ionizing Dose (TID)

חשיפה מפולגת לקרינת יון יוצרת מטען לכוד בשכבות תחמוצות ובממשקים, שינוי מתחי סף טרנסטור וזרםי דליפות גוברים.

  • השפלה Gradual של דיוק ממיר אנלוגי-לדיגיטלי בחיישנים מהירים.
  • צריכת חשמל מוגברת בכונן מוטורי FETs, בסופו של דבר מוביל לריצה תרמית.
  • שגיאות תזמון בשליטה על לוגיקה FPGAs כמו עיכובים מהירים להגדיל.

דרישות TID טיפוסיות עבור גלגלי התגובה LEO נע בין 50 קארד ל 100 krad, בעוד משימות גיאוסטציונריות עשויות לדרוש 200 krad או יותר.

נזקי החלפת (לא מאיים על אובדן אנרגיה)

נויטרונים באנרגיה גבוהה ופרוטונים יכולים לדפוק אטומים מתוך סיליקון סיליקון, יצירת vacancies ו interstitials הפועלים כמרכזי Recombination. זה משבש את חיי נושא המיעוט, המשפיע על רכיבים דו קוטביים כגון Optocouplers בממשקי חיישן ורגולטורים ליניאריים.

פגיעויות ספציפיות של Reaction Wheel Electronics

מנועים Drive Stage

נהגי מנוע ה- DC החצובים המשמשים גלגלי תגובה בנויים מנקודות כוח של MOSFET אשר חייבים לעבור זרמים גבוהים בתדרים גבוהים.מכשירים אלה רגישים במיוחד לקרע שער אירוע יחיד והחלפת סף מינון הכולל המושרה.A נהג יכול להשאיר את הגלגל מסתובב ללא מעצורים, מה שגורם לחללית לשחיקה.מהנדסים אלה על ידי הפעלת הטרנזירים (הת אותם ב-50% של מתח) ומדורגים למחצה לכדי התנצלויות אדומות.

מהירות וחיישנים

רוב גלגלי התגובה משתמשים בחיישנים מרובים של אפקט הול כדי למדוד את מיקום רוטטור עבור ההסעה.חיישנים האלה הם רגישים קרינה: הפלט שלהם מפענח מתח מפענחים עם TID, ו-SEUs יכול לייצר דופק כוזב כי מטעה את תזמון ההנעה. עיצובים מתקדמים מעסיקים מחסנים תלת-מונים עם רוב הצבעה לוגיקה ב-rad-Hard-Hard-RGA.

המונחים: Loop

הבקר הדיגיטלי שמיישם את תקנות המהירות והצוואה של ה-SEUs. A one bit as in a win coefficient או במכונה המדינה יכול לגרום הגלגל ל-oscillate או ל-SEUs. שגיאה וזיהוי (EDAC) קודים על זיכרון, זיכרון תקופת בדיקת זיכרון, וזמני השמירה הם משימות סטנדרטיות.

כוח אספקה

המרת DC-DC המספק את מתח הנהיגה המנוע לעתים קרובות משתמש מהפך עם מעגלי משוב. קרינת ההידרדרות המושרה של ה- Optocoupler או PWM בקר יכול לגרום למתח הפלט לחבל או לקרוע, המוביל ל-Torque חוסר יציבות. Redundant כוח מורד עם החלפת ראו-saw עוזר לשמור על כוח נקי.

דוגמאות היסטוריות ואחרונה

החשיבות של קרינת השטף עבור אלקטרוניקה גלגל התגובה הודגשה על ידי מספר מקרים בולטים:

  • טלסקופ החלל של אטל (2000): לאחר חזרות על ידי SEU המושרה על ידי שימוש באלקטרוניקה של גלגל התגובה, מהנדסים מעודכנים את תוכנת בקרת הגישה כדי לזהות ולתקן שגיאות זמניות באופן אוטומטי.זה היה שודד, אבל זה איפשר לגלגלים לתפקד במשך שנים רבות יותר.
  • תחנת החלל הבינלאומית:0 (International Space Station:FLT:1) The ISS משתמשת ארבע גליקוסקופים של רגע שליטה (מכשיר קשור) שחווה את האנומליות המושרה של SEU בבקרי הנהיגה שלהם.המערכת עוברת באופן אוטומטי למצב בטוח בזמן בקרים קרקעיים מתואמים את היחידה המושפעת.
  • (FLT:0) כשלי ⁇ ⁇ : 1 (מספר גלגלים מסחריים קוביות בקוביות) נכשלו בתוך חודשים בשל שולי TID לא מספיק עבור PWM ICs, שהיו חלקים מסחריים.ניתוח לאחר הגשת הודעה הראו אירועים לנצ'ופים הרסו את מנהלי השער.

דוגמאות אלה מראות כי הן משימות הדגל הגדולות והן לווייניים קטנים חייבות תקציב לאפקטים קרינה על מוצרי אלקטרוניקה של גלגל.

אסטרטגיות לחיקוי: גישה מרובה-Layered

בחירה ורדינג

באמצעות רכיבים אלקטרוניים עמידים קרינה או סובלניים קרינה היא קו ההגנה הראשון של מיקרובקרים קשיחים פופולרי כמו RAD750 או LEON3-FT, ו-rad-hard FPGAs (למשל, Microsemi RTG4) נועדו לשרוד TID > 300 krad ומתנגדים ל- latchup. עבור מנועים FET, ספקים כגון International Rect ו- IXSed עם שערים קשיחים ו-IX.

מגן מגן

הגנה מקומית נוספת סביב תיבת האלקטרוניקה גלגל התגובה יכולה להפחית את שיעור המינון באופן משמעותי.לעתים קרובות מכסה אלומיניום 2-3 מ"מ מספק הגנה נאותה TID עבור מסלול כדור הארץ נמוך, אבל עבור מסלולים גבוהים יותר או משימות ארוכות, טנטלום או tungsten-tin משמשים במקומות הרגישים ביותר. עם זאת, הגנה היא פחות יעילה נגד GCRs באנרגיה גבוהה, כך זה חייב להיות משולב עם טכניקות אחרות.

עיצוב מרג'ינס ודרטינג

מהנדסים ליישם גורמים שמרניים לרכיבים הפעילים: הפעלת MOSFET במחצית המתח הדירוג שלהם, הפעלת לוגיקה דיגיטלית במהירויות השעון המופחת, ושימוש בגדלים טרנסיסטורים גדולים יותר.זה מעליב סופג שינויים קצביים מ-TID ומפחית את הסבירות של SEE הרסנית.

רדיפת ההצבעה וההצבעה

משולשת של Redundancy (TMR) בלוגיקה של שליטה - שלושה מעבדים מקבילים או FPGAs עם רוב מצביע - מנקס SEU בכל יחידה אחת. . ניגודי גלגל תגובה רבים כוללים שני או שלושה גלגלים בדיור יחיד (למשל, מערך tetrahedral של 4 גלגלים) כדי לאפשר המשך פעולה לאחר אלקטרוניקה של גלגל אחד.

זיהוי שגיאות ותיקון (EDAC)

כל הקבצים SRAM ורישום המשמשים את מעבד הבקרה צריך לכלול EDAC (למשל, קודים Hamming או ריד-Solomon) זיכרון תקופתי פענוח מונע הצטברות של שגיאות מרובות-bit הרגיז.עבור נתוני חיישן מהירות, בדיקות מחזוריות מחזוריות (CRC) על כל מילת מדידה יכול לדחות דגימות מושחתות.

תוכנה Mitigation

מערכת בקרת הגישה צריכה להיות מיועדת לסבול נתונים מעוררי חלוף מדי פעם מהגלגל.פילטרים נמוכים על משוב מהיר, מגבילים על מומנט צוופים, וזיהוי תקלות שגרות אשר לאמת התנהגות הגלגל נגד מודל יכול למנוע זעזוע אחד מערערער את החללית. משימות רבות כוללות מצב "בטוח" שמציב גלגל מהירות למדינה בטוחה עד שפקד הקרקע פותר את הבעיה.

בדיקות ואימות

לפני הטיסה, אלקטרוניקה גלגל התגובה חייב להיות נתון בדיקות קרינה במתקנים כמו מעבדת קרינת החלל נאס"א או המכון פול שרר.

  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד, ו[[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]
  • (ב) [15] ,0) ,4 ,4 ,2 ,2 ,2 ,2 ,2 , ).
  • (ב) [15] ,0) ,9.10.10.10.10.10.3.3.

תוצאות הבדיקות מזין לחלק, חומרים ותהליכים (PMP) תוכנית המעדנת את שיעורי הכשל הצפויה ומאשרת את העיצוב עומד במטרות אמינות המשימה.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

קרינה-התמדה על ידי עיצוב (RHBD) Integrated Circles

תהליכים שנמצאו המשלבים CMOS עמוק submicron עם טכניקות פריסה רווי קרינה (למשל, טרנזיטים סגורים, טבעות שמירה) מציעים כעת ביצועים גבוהים עם סובלנות TID מעל 1 מראד.חלקים כאלה מתחילים להופיע בקרים מנועים תגובה גלגל, המאפשר עיצובים קטנים ויעילים יותר.

Machine Learning for Fault Prediction

על גבי לוח זיהוי אנומלי באמצעות רשתות עצביות יכול לזהות דפוסים של ההידרדרות הנגרמת על ידי קרינה בטלמטארי זרם וטמפרטורה, המאפשר תחזוקה חיזוי או רפורמה אוטונומית לפני שכישלון מתרחש.זהו תחום פעיל של מחקר למשימות חלל עמוקות שבו עיכובים תקשורת מונעים התערבות קרקעית.

גלגלים מגיבים מגנטיים

נושאים מכניים מסורתיים מוחלפים על ידי השעיה מגנטית, חיסול ללבוש מחיכוך נושא אבל הוספת אלקטרוניקה שליטה מורכבת.מערכות אלה רגישים במיוחד ל-SEU ב- מיקום משוב לולאה, כך שהם דורשים ממשקי חיישן אולטרה-מישים, rad-Hard.

חומרים מתקדמים

מגן ציונים Z באמצעות שכבות של גבוה Z וחומרי Z נמוך (למשל, טנטלום ואלומיניום) יכול להפחית הן מנה כוללת וייצור חלקיקים משני. New Complexs משלבים בורון או ליתיום לעזור לספוג נויטרונים תרמיים המיוצרים על ידי אינטראקציות קרני קוסמיות.

מסקנה

קרינה סביבת חלל מהווה איום אמיתי על גלגלי התגובה של האלקטרוניקה – ממקרי אירוע יחיד העלולים לגרום לשגיאות גישה רגעיות למינוי מצטברים המפחיתים רכיבים לאורך שנים. הבנת הממשק בין קרניים קוסמיות גלקטיות, אירועי חלקיקים סולאריים וחגורת קרינה לכודה חיונית לתכנון מערכות בקרה חזקות של גישה. באמצעות שילוב של חלקים מקרינה, הגנה, שולי עיצוב, שוליים, תקלות אדפטיות, ואפקטים נמוכים יותר, כמו ניסויים בחלל, עלולים, כמו גם לטכנולוגיות קרינה, לפתח השפעות מהירות גבוהות יותר, ואפקטים, ואפקטים, ואפקטים חיוניים לקרינה מהירה יותר, כמו גם לשיטות אבטחה לטווח הארוך יותר, כדי לפתח, כמו גם לקרינה מהירה יותר, כדי לפתח, כדי לפתח תהליכי בקרה על פני כדור הארץ, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח תהליכי בקרה לטווח קצר יותר, כדי לפתח קרינת סוללות מהירות גבוהה יותר, כדי לפתח תהליכי בקרה מהירה יותר, כדי לפתח קרינת סוללות מהירות גבוהה יותר, כדי לפתח קרינת סוללות מהירות גבוהה יותר, כדי לפתח קרינת סוללות מהירות יציבה, כדי לפתח מערכת בקרה מהירה יותר, כדי לפתח קרינת סוללות מהירות גבוהה יותר, כדי לפתח, כדי לפתח קרינת סוללות מהירות גבוהה יותר, כדי לפתח קרינת סוללות מהירות גבוהה יותר, כדי לפתח קרינת סוללות