Проблемы совершенствования обеспечения космических средств требуемой электронной компонентной базой (в части контроля стойкости).
, к. т.н., заместитель генерального директора – заместитель главного конструктора (Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт космического приборостроения)
На протяжении последних лет все более остро встает проблема обеспечения комплектации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) современных спутниковых систем, характеризующихся резким расширением объема функций, реализуемых в течение кардинально увеличенного (до 10 – 15 и более лет) срока активного существования (САС). Эти вопросы в течение 2008 – 2009 годов неоднократно рассматривались в Военно-промышленной комиссии при Правительстве РФ, Роскосмосе и Росатоме, на которых впервые в России был введен термин "электронная компонентная база (ЭКБ) для космических применений (КП)" и сформулированы основные технические требования к ней, определяющим из которых выступает стойкость к ионизирующим излучениям космического пространства (ИИ КП). ИИ КП являются главенствующим естественным фактором, ограничивающим САС космических аппаратов (КА), проявляющимся в параметрических функциональных отказах и сбоях, которые принято разделять на дозовые и одиночные эффекты (последних существует 7 типов). На их долю суммарно приходится до 50% квалифицированных отказов, хотя реально этот процент выше из-за стимуляции возникновения других видов отказов, и, в первую очередь, электростатических.
Предприятиями Роскосмоса разработан "План мероприятий по совершенствованию обеспечения космических средств требуемой ЭКБ", включающий самостоятельный раздел "Развитие материально-технической, методической и нормативной базы для испытаний стойкости ЭКБ в условиях космического пространства", предполагающий поэтапное (2009 – 2011 и 2012 –2015 годы) становление испытательной базы (в широком понимании этого термина).
Сформулированы основные принципы обеспечения испытаний стойкости ЭКБ, учитывающие как ранее принятые решения о создании межотраслевого центра испытаний ЭКБ на стойкость ко всем видам внешним воздействий, так и отраслевую специфику Роскосмоса. К этим принципам можно отнести:
- использование в межотраслевом испытательном центре всех доступных установок, моделирующих воздействие ионизирующего излучения космического пространства, вне зависимости от ведомственной принадлежности;
- функционирование отраслевой испытательной лаборатории (испытательного центра) Роскосмоса в качестве функционального элемента межотраслевого испытательного центра;
- обеспечение единства подхода к метрологической аттестации испытательного и измерительного оборудования;
- аккредитация в Федеральной системе сертификации космической техники всех испытательных лаборатории (центров) , использование только гармонизированных и согласованных с Роскосмосом методов испытаний стойкости к факторам космического пространства;
- реализация комплексного подхода к обеспечению испытаний – одновременное создание аппаратных средств и комплекса отраслевого нормативно-методического и программного обеспечения.
Основные направления работ по реализации "Плана мероприятий…" (в части контроля стойкости ЭКБ к ИИ КП) включают:
• создание межотраслевого испытательного центра ЭКБ (разработка и согласование Положения, структуры, функциональных обязанностей и т. п.), в том числе создание и совершенствование отраслевой испытательной лаборатории Роскосмоса, базирующихся на :
− испытательных стендах (ИС) контроля одиночных эффектов (7 типов) в цифровых, аналоговых, аналого-цифровых и цифро-аналоговых интегральных схемах;
− испытательных стендах контроля, в т. ч. неразрушающего, индивидуальных (групповых) характеристик дозовой стойкости интегральных схем;
− испытательных стендах отбора ЭКБ повышенной стойкости и отбраковки потенциально ненадежных элементов;
• уточнение "моделей космоса" на основе информации от создаваемой отраслевой системы мониторинга ионизирующих излучений космического пространства;
• модернизацию, расширение и актуализацию отраслевой информационно-справочной системы (ИСС) по стойкости ЭКБ к ионизирующим излучениям космического пространства;
• создание и верификацию отраслевого программного обеспечения моделирования локальных условий эксплуатации ЭКБ и деградации ее характеристик;
• повышение эффективности системы сертификации космической техники (на уровне ЭКБ), за счет ее реализации на всех этапах создания ракетно-космической техники, гармонизации аналитических и экспериментальных методов подтверждения стойкости, включая оптимизацию испытаний стойкости ЭКБ к ионизирующим излучениям космического пространства (выбор типовых представителей, определение состава испытаний и т. д.).
Создаваемые в рамках реализации первого направления ИС структурно включают:
- оборудование моделирования воздействия ИИ КП на объект (включая изменение и контроль характеристик воздействия);
- оборудование фиксации объекта в поле облучения и манипулирования им;
- оборудование обеспечения функционирования объекта и контроля его характеристик в процессе (до и после) воздействия;
- оборудование управления процессом испытаний и обеспечения интерпретаций их результатов;
- оборудование защиты внешней среды и персонала от негативных воздействий.
Создаваемые средства контроля одиночных эффектов базируются на источниках протонов и ионов (в качестве которых могут выступать ускорительный комплекс ГНЦ РФ ИТЭФ, циклотроны Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ и ускорители ПИЯФ), отличающиеся как по характеристикам, так и по метрологическому сопровождению. Средства контроля дозовых эффектов используют разнообразные моделирующие установки (низкоинтенсивного γ – излучения) и ускорители электронов НИИ Приборов, МИФИ, НИИ ЯФ МГУ и других организаций.
Следует отметить что задача контроля стойкости ЭКБ в области дозовых эффектов практически обеспечена как оборудованием, так и нормативно-методическими документами, чего нельзя сказать о контроле одиночных эффектов.
В отраслевой испытательной лаборатории Роскосмоса вопросы метрологической аттестации используемого оборудования и источников излучений принципиально решены.
Специфической задачей испытательной лаборатории Роскосмоса является обеспечение разбраковки (отбор элементов повышенных характеристик и отбраковка потенциально ненадежных) ЭКБ, предполагаемой для космических применений, на основе прогноза индивидуальных характеристик и поведения в процессе воздействия (и восстановления).
На текущий момент результатами работ явилось создание 4-х испытательных стендов, основных узлов 2-х стендов, 6-ти отраслевых руководящих документов и 2-х проектов, а также 2-х верифицированных программных пакетов.
Следующим направлением является создание и совершенствование отраслевой системы постоянного мониторинга ионизирующих излучений космического пространства с целью:
- совершенствования моделей влияния ИИ КП на ЭКБ;
- уточнения технических требований к ЭКБ и к аппаратуре космических аппаратов;
- актуализации норм и методов наземных испытаний ЭКБ
и т. д.
На рисунке 1 представлена структура системы мониторинга (бортовой и наземный сегменты), ее назначение и особенности. В настоящее время элементы системы располагаются на 5 аппаратах ГЛОНАСС, предполагается установка на другие космические аппараты. Основное направление продолжения работ – микроминиатюризация бортовых элементов, в том числе интегрированных в"систему-в корпусе".
Следует отметить, что система мониторинга, кроме того, обеспечивает управление структурно-алгоритмическими методами повышения стойкости аппаратуры КА.
Рисунок 1 – отраслевая система мониторинга ионизирующего излучения космического пространства
Обеспечение разработчиков исчерпывающей информацией по разнообразным вопросам стойкости к ИИ КП с целью сокращения времени разработки и повышения ее качества проводится через совершенствование (в рамках 3-его направления) созданной в 2007 году отраслевой информационно-справочной системы, предназначенной также для предварительного выбора ЭКБ.
Представлены структура и особенности данной системы, на сегодняшний день насчитывающей информацию по более 12 тыс. типономиналам ЭКБ и более 2 тыс. справочных записей. Следует отметить, что пополнение данных происходит с значительными сложностями из-за нерешенности вопроса о собственнике результатов испытаний, проведенных в испытательных центрах.
Структурно ИСС включает:
1. Web-сайт:
• образ базы данных;
• структура справочного раздела;
• средства удалённого доступа.
2. Базу данных:
• описание;
• характеристики (детализированные и интегральные):
- дозовые эффекты;
- одиночные эффекты;
• ссылки.
3. Справочный раздел:
• нормативные документы;
• библиография;
• справочные БД;
• конференции;
• программное обеспечение;
• ссылки.
4. Раздел космической погоды :
• состояние космической погоды;
• прогноз космической погоды;
• адаптированные бортовые измерения;
• адаптированные наземные измерения;
• алертный сигнал.
ИСС присущи определенные особенности, к которым следует отнести:
• авторизацию доступа;
• защиту от несанкционированного использования;
• регистрацию пользователей через Роскосмос.
Рисунок 2– Вид сайта отраслевой ИСС (www. *****)
Рисунок 3 – Структура аппаратных средств отраслевой ИСС
Следует отметить, что требуется расширение функций ИСС в части технологических особенностей (типы корпусов, покрытие выводов, специфика пайки и монтажа и т. п.) и характеристик по надежности, вибро - и термопрочности.
Программное обеспечение, широко используемое разработчиками на всех этапах жизненного цикла космических аппаратов для повышения эффективности и надежности создаваемой бортовой аппаратуры, излишне разнообразно, далеко не всегда верифицировано и как следствие этого имеет значительные погрешности вычислений (до порядка) для задач подтверждения стойкости к ИИ КП.
Основные направления работ в этой области (в рамках реализации четвертого направления), позволяющие при невысоких временных и финансовых затратах существенно повысить корректность отбора ЭКБ для применения в конкретных условиях эксплуатации, а также обеспечить необходимую достаточность конструктивно технологических мер повышения стойкости критических узлов, имеют своей целью обеспечение стандартизированными и верифицированными средствами:
- информационно-аналитического сопровождения работ по контролю стойкости;
- аналитической обработки результатов испытаний ЭКБ;
- предварительных расчетов стойкости (и надежности) радиоэлектронной аппаратуры;
- предварительного выбора ЭКБ.
ПО решает следующие основные задачи:
- расчет локальных условий эксплуатации;
- расчет сроков активного существования радиоэлектронной аппаратуры при вариациях интенсивности ионизирующего излучения космического пространства, электрического и температурного режимов;
- расчет защитных свойств конструкционных материалов;
- автоматизация расчетов стойкости ЭКБ по результатам испытаний;
- обеспечение функционирования отраслевой системы мониторинга;
- аналитическая оценка достаточности конструктивно-технологических мер защиты радиоэлектронной аппаратуры от ионизирующего излучения космического пространства.
В настоящее время 2 пакета программ верифицированы и сданы в отраслевой фонд алгоритмов и программ, еще один пакет находится в стадии верификации.
Еще одним (пятым) направлением работ является повышение эффективности системы сертификации космической техники, за счет ее реализации на всех этапах создания космической техники и гармонизации аналитических и экспериментальных подходов подтверждения стойкости ЭКБ. Это особенно актуально, когда испытания стойкости всех типономиналов ЭКБ невозможны по финансовым и временным ограничениям, а подтверждение требуемой долговечности аппаратуры необходимо.
Представлен оптимизированный алгоритм сертификации космической техники (в части обеспечения стойкости к ИИ КП на уровне аппаратуры и ЭКБ) и его обеспечение за счет ранее рассмотренных мероприятий, а также дополнения нескольких специфических, к которым следует отнести:
- нормативные документы по порядку выбора ЭКБ, позволяющие на начальном этапе исключать элементы, применение которых в космической технике недопустимо или сопряжено с неопределенностью обеспечения характеристик стойкости;
- нормативные документы по порядку оценки стойкости ЭКБ по функциональным и техническим аналогам и прототипам (и соответствующее отраслевое ПО);
- нормативные документы по порядку оптимизации испытаний, включая минимизацию состава испытаний с повышением информативности, выбор типовых представителей для испытаний и методов распространения результатов испытаний на аналоги.
Указанные документы в настоящее время отсутствует.
Следует отметить, что соблюдение требований сертификации космической техники является действенным методом обеспечения выполнения требований технического задания.
Рисунок 4 – алгоритм сертификации РЭ КА (в части стойкости к ИИ КП)
Таким образом, можно констатировать, что задачи контроля стойкости ЭКБ для космических применений (а также решение смежных проблем) конкретизированы в разработанных предприятиями Роскосмоса мероприятиях с достаточной долей детализации, и их поэтапная реализация (которая уже начата) позволит обеспечить современные спутниковые системы высоконадежной ЭКБ космических применений.
Литература
1. , , " Результаты экспериментальной отработки фрагментов системы мониторинга ионизирующих излучений космического пространства ". // Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2009. Научно-технический сборник. – М.:МИФИ, 2009.
2. "Отраслевая система мониторинга ионизирующих излучений космического пространства как информационный метод обеспечения перспективных КА высоконадежной ЭКБ ". // Всероссийской конференции "Пути решения задач обеспечения современной радиоэлектронной аппаратуры надежной электронной компонентной базой ". Тезисы докладов– г. С-Петербург, 2009.
3. "Проблемы обеспечения высоких сроков активного существования радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов в условиях воздействия естественных ионизирующих излучений космического пространства ".// Элементная база космических систем. Материалы конференции. – М.: Московское общество радиотехники, электроники и связи им. , 2008..
