Проблемы обеспечения сверхмалых космических аппаратов высокостойкой электронной компонентной базой
(ФГУП "Научно-исследовательский институт космического приборостроения")
На протяжении последних лет крайне остро встает проблема обеспечения комплектации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) современных микроспутниковых систем, характеризующихся резким расширением объема функций, реализуемых в течение кардинально увеличенного (до 10 – 15 и более лет) срока активного существования (САС).
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.
В силу ограничений массы и габаритов микроспутников (структурно-алгоритмические и конструктивные методы повышения стойкости практически неприменимы) срок их активного существования целиком определяется стойкостью используемой ЭКБ.
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.).
Первое и последнее направления особенно актуальны для микроспутников.
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), что крайне важно для микроспутников.
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.kosrad.ru)
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 особенно для микроспутниковых систем, практически не имеющих запаса по стойкости ЭКБ к ИИ КП из-за минимизации массо-габаритных характеристик.
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 микроспутниковые системы высоконадежной ЭКБ космических применений.
Литература
1. "Технологические методы обеспечения высоких сроков активного существования сверхмалых космических аппаратов в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства "// Шестая научно-практическая конференция "Микротехнологии в авиации и космонавтике". Тезисы докладов конференции. – М, 2008.
2. , , " Результаты экспериментальной отработки фрагментов системы мониторинга ионизирующих излучений космического пространства ". // Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2009. Научно-технический сборник. – М.:МИФИ, 2009.
3. "Отраслевая система мониторинга воздействия естественных ионизирующих излучений космического пространства на радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов" ".// II Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий". Тезисы докладов конференции.– Москва: РНИИ КП, 2009.
