Weltraumelektronik oder Wie die NASA Juno in der Nähe von Jupiter überlebt

Sechs Weltraummissionen, die uns an die Erforschung des Weltraums erinnerten, sind schwierig

Der November 2011 war eine besonders aufregende Zeit für Planetenwissenschaftler. Russland hatte sein Phobos-Grunt-Raumschiff gestartet, das auf Phobos landen sollte, dem ersten Versuch auf dem größten Marsmond. Noch aufregender war, dass das Raumschiff ~ 200 g Probe von der Oberfläche von Phobos zurückbringen würde! Wissenschaft!

Von Phobos Grunt durchzuführende Manöver um den Mars. Quelle: Wikipedia

Der Start war erfolgreich, aber das Raumschiff verließ nie den Low Earth Orbit (LEO). Das Raumschiff konnte seine Triebwerke nicht abfeuern und seine Umlaufbahn verfiel innerhalb weniger Wochen. Von der Erde gezogen, stürzte es in den Ozean, was zu einem völligen Misserfolg führte. Mit dem Raumschiff gingen auch Chinas erster Marsorbiter Yinghuo-1 und das LIFE-Experiment der Planetary Society an Bord verloren.

Also, was ist schief gelaufen? Der Fehlerbericht ergab, dass die elektronischen Komponenten des Raumfahrzeugs weder für den Einsatz im Weltraum qualifiziert noch vor dem Start getestet wurden. Der Verlust von Phobos-Grunt und der Wissenschaft, die er anrichten konnte, erinnerte bitter daran, dass die Erforschung des Weltraums unerbittlich war. Das Abschneiden bei der Entwicklung und dem Testen von Raumfahrzeugen, um einige Kosten zu sparen, wird uns noch mehr kosten.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick darauf, wie Elektronik von Raumfahrzeugen gebaut wird, um die Härte der Weltraumumgebungen zu überstehen, und werfen einen interessanten Blick auf verschiedene Weltraummissionen.

Teil A - Härtungselektronik für die Raumnutzung

Bauen für die Ewigkeit

In Raumfahrzeugen verwendete elektronische Komponenten müssen so gebaut sein, dass sie den rauen Weltraumbedingungen standhalten und zuverlässig funktionieren. Das US-Verteidigungsministerium schreibt über 100 Tests vor, um einen zuverlässigen Betrieb unter mechanischer Beanspruchung, starken Temperaturschwankungen und starker ionisierender Strahlung zu gewährleisten. Alle elektronischen Komponenten in Weltraumqualität müssen im Gegensatz zu den in gewerblichen oder industriellen Anwendungen üblichen Stichprobenprüfungen einzeln qualifiziert werden.

Aus dem gleichen Grund ist die gesamte Elektronik in der IAU (Integrated Avionics Unit) unseres TeamIndus-Raumfahrzeugs voll weltraumtauglich. Ebenso wichtige Komponenten wie der Sternsensor. Andere elektronische Systeme wie die Lander-Bildverarbeitungseinheiten und die Rover-Kameras sind fehlertolerant gebaut.

Das 1977 gestartete Raumschiff Voyager funktioniert noch. Quelle: Wikipedia

Um die gewünschte Zuverlässigkeit zu gewährleisten, können Systementwickler nicht die neuesten und besten Chips verwenden. Wenn wir uns ansehen, welche CPUs in Raumfahrzeugen verwendet werden, werden wir feststellen, dass die meisten von ihnen sehr alte Designs sind, einige sogar aus den 1990er Jahren. Es ist wichtig, dass Sie etwas verwenden, von dem wir wissen, dass es funktioniert.

Elektronikkomponenten werden mithilfe einiger der folgenden Techniken für die Raumnutzung gehärtet:

Ein vergossener elektrischer Transformator, der für die Installation auf einer Leiterplatte zur Raumnutzung entwickelt wurde. Die von der Vergussmasse gebildete Oberfläche ist rechts zu sehen. Quelle: Wikipedia

1. Eintopfen

Startzeitvibrationen der Rakete können die Elektronik mechanisch belasten und beschädigen. Beim Vergießen wird die elektronische Baugruppe mit einer festen / gelatineartigen Verbindung gefüllt, um Stößen und Vibrationen standzuhalten.

2. Silikon am Isolator

Chips für den Einsatz im Weltraum werden auf einem isolierenden Substrat anstelle eines Silikons hergestellt, wodurch sie strahlungsresistenter und fehlertoleranter werden.

3. RAM-Typen

Statische RAMs (SRAM) werden gegenüber dynamischen RAMs (DRAM) bevorzugt, da sie weniger Strom verbrauchen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn sich das Raumfahrzeug im Energiesparmodus befindet, aber weiterhin Telemetrie senden muss.

4. Externe Abschirmung

Eine äußere Abschirmung (wie Blei) um die elektronischen Komponenten verringert die Strahlenbelastung und verlängert so die Lebensdauer der Mission. Dies ist besonders nützlich bei Langzeitmissionen wie New Horizons, die sich derzeit auf dem Weg zu einem Kuipergürtelobjekt befinden.

Die Abmessungen der für die Raumnutzung qualifizierten elektronischen Komponenten sind daher gewöhnlich viel größer als die der gewerblichen / industriellen.

Auswirkungen von Strahlung auf die Elektronik von Raumfahrzeugen

Obwohl die Komponenten auf Weltraumtauglichkeit getestet wurden, kann es bei einer Weltraummission aufgrund intensiver Weltraumstrahlung immer noch zu unerwarteten Problemen kommen. Eine Vielzahl von Effekten, die unter den Einzelereigniseffekten (Single Event Effects, SEE) zusammengefasst sind, können zu Betriebsstörungen führen.

  • Ionen in der Weltraumstrahlung, die mit den Chipkomponenten interagieren, können den Zustand von Bits umkehren und Speicherfehler verursachen.
  • Ein energiereiches Ion oder Proton, das durch die inneren Transistorübergänge gelangt, kann Latchups verursachen, die zu Kurzschlüssen führen.
  • In ähnlicher Weise können diese energiereichen Partikel auch Elektronen in einem Stromkreis verlieren lassen, was zu irreversiblen Schäden führt.

Speicherverluste, durcheinander geratene Codeausführungssequenzen, Latchups usw. sind unerwünschte Elemente in einer erfolgreichen Weltraummission. Einige Probleme können nur auf Kosten eines Hard-Reset behoben werden, während andere dauerhafte irreversible Schäden verursachen. Die Elektronik von Raumfahrzeugen muss unter Berücksichtigung all dieser Faktoren gebaut werden.

Abgesehen von dem Vorfall mit Phobos-Grunt werfen wir einen Blick auf Weltraummissionen, die ständig daran erinnern, wie hart und nachsichtig die Erforschung des Weltraums ist.

Teil B - Interessante Fälle von Weltraumelektronik in verschiedenen Weltraummissionen

1. Wenn Sie Ihre Sternsensoren verlieren

Indiens erster Mondorbiter Chandrayaan-1 konnte nach einigen Monaten im Mondorbit nicht funktionieren. Die extreme Sonneneinstrahlung in Kombination mit anderen Faktoren führte ebenfalls zum Ausfall des Backup-Sternsensors.

Chandrayaan-1-Schema mit den beiden Sternsensoren. Quelle: Wikipedia

Der Rest der Mission musste mit den an Bord befindlichen Gyroskopen und ständigen Korrekturen von der Bodenstation durchgeführt werden. Die Mission war letztendlich erfolgreich, aber es war eine Erinnerung daran, dass selbst weltraumtaugliche Komponenten ins Wanken geraten können.

2. Wenn Sie sechs Computer haben, um einen Auftrag abzuschließen

Das Galileo-Raumschiff, das Jupiter umkreisen und untersuchen sollte, hatte nicht nur eine, sondern sechs CPUs. Das Überleben in der strahlengeplagten Jupiter-Umgebung - die um Größenordnungen intensiver ist als die der Erde - setzte voraus, dass jedes wichtige Subsystem aus Gründen der Fehlertoleranz von einer eigenen CPU gesteuert wird. Auf diese Weise wird nur ein Hauptinstrument deaktiviert, wenn eine CPU ausfällt.

Künstlerische Darstellung des an Jupiters vulkanisch aktivem Mond Io vorbeifliegenden NASA-Raumschiffs Galileo. Quelle: NASA. Hinweis: In dieser Darstellung ist die Antenne mit hoher Verstärkung vollständig ausgefahren, jedoch nicht während der Mission.

Als CPUs wurden jeweils die mit 1,6 MHz getakteten 8-Bit-RC 1802 verwendet. Sie wurden aus Saphir (Silizium auf Isolator) gefertigt, der strahlungsgehärtet und für die intensive jüdische Umgebung geeignet ist. Die Verarbeitungsfähigkeiten des Galileo-Raumschiffs entsprachen den klassischen Apple II-Computern, die ein Jahrzehnt zuvor verkauft wurden.

Schema der Jupiter-Magnetosphäre mit ihren vier Monden. Das Galileo-Raumschiff war auf allen nahen Pässen zum Jupiter intensiver Strahlung ausgesetzt. Quelle: John Spencer

Die Verwendung redundanter Sicherungsmodule ist Standard bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen, um Probleme zu minimieren. Trotz dieser Schutzmaßnahmen verursachte die raue Umgebung des Jupiter im Laufe der Zeit über ein Dutzend Anomalien am Galileo-Raumschiff, darunter häufiges Zurücksetzen der Bordcomputer.

3. Wenn Sonneneruptionen Ihre Sonnenkollektoren beschädigen

Auf dem Weg zum Asteroiden Itokawa im Jahr 2003 wurde das japanische Raumschiff Hayabusa von einem der größten Sonneneruptionen in der Geschichte getroffen. Die Fackel beschädigte die Sonnenkollektoren und verringerte dadurch ihre Leistung. Nicht nur das, die Fackel entfernte auch einen der vier Ionen-Triebwerke des Raumfahrzeugs. Die Einsatzdauer musste dadurch verkürzt werden.

JAXAs Hayabusa-Raumschiff in Itokawa. Quelle: Planetary Society

Die übermäßige Strahlung beschädigte die Übergänge in den Solarzellen und gab Anlass zur Sorge, als Juno, das Raumschiff der NASA, den Jupiter derzeit näher umkreist als jedes andere Raumschiff, das sich ihm näherte. Die Ingenieure wussten, dass sich die Sonnenkollektoren aufgrund der intensiven Jupiter-Strahlung mit der Zeit verschlechtern würden. Das Risiko wurde auf ein akzeptables Maß reduziert, indem doppelt so dickes Solarpanelglas und eine größere Solarpanelgröße für eine höhere Leistung verwendet wurden.

4. Strahlenhärten mit RAD-Computern

Eine der neuesten Generationen strahlungsgehärteter Chips (in Weltraumqualität) ist das 32-Bit-RAD750 von BAE, das auf dem von IBM entwickelten PowerPC 750 basiert. Es wurde entwickelt, um Verluste zu minimieren, selbst wenn es extremer Strahlung durch Sonneneruptionen ausgesetzt ist. Mit einem breiteren Temperaturbereich und einer 10-mal besseren Leistung als der RAD6000 der vorherigen Generation wurde der RAD750 seit seiner Verfügbarkeit in über 150 Weltraummissionen eingesetzt, darunter auch der beliebteste Marsrover der Welt.

Neugier Rover Selfie am Mount Sharp. Quelle: NASA

Einige der anderen beliebten Weltraummissionen, die von RAD750 angetrieben werden, sind der Lunar Reconnaissance Orbiter, das Kepler-Weltraumteleskop, das Solar Dynamics Observatory und natürlich das Juno-Raumschiff. Jeder RAD750 kostet ungefähr 200.000 US-Dollar.

Wie bereits erwähnt, haben alle kritischen Missionen redundante Module. Der Curiosity Rover verfügt über zwei RAD750-CPUs, von denen eine als Backup-Einheit fungiert und die bei Problemen mit dem Flash-Speicher übernahm.

5. Der Fall von Juno und Jupiter

Juno wurde entwickelt, um Jupiters Pole zu studieren und näher an den Planeten heranzurücken als jedes Raumschiff zuvor. Es stellt sich heraus, dass die Verwendung von einzeln getesteten Komponenten in Weltraumqualität, einer der strahlungshärtesten CPUs und der Einsatz redundanter Komponenten immer noch nicht ausreicht, um der rauen Umgebung in der Nähe von Jupiter, dem Planeten mit der größten Magnetosphäre im Sonnensystem, zu trotzen.

1 - Künstlerische Darstellung der Juno-Raumsonde mit ihren großen (und dicken) Sonnenkollektoren. Quelle: NASA. 2 - Die Umlaufbahn von Juno bringt es dem Jupiter sehr nahe, um seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, und setzt ihn dabei gefährlichen Strahlungsgürteln aus. Quelle: Juno-Website

Die RAD750-CPU ist so ausgelegt, dass sie allein bis zu 1 Million Rad Strahlung aushält, was bemerkenswert ist. Es wird jedoch erwartet, dass die Mission die Komponenten von Juno im Laufe der Zeit 20 Millionen Rad Strahlung aussetzt. Das ist ziemlich intensiv.

Zum Schutz der elektronischen Bauteile bauten die Ingenieure einen Titan-Panzerungsschutz mit 1 cm dicken Seiten. Dieses kubische Gewölbe reduziert die Strahlenbelastung der elektronischen Komponenten um das 800-fache.

Die JPL-Ingenieure der NASA installieren das Juno Radiation Vault, das zum Schutz der elektronischen Komponenten in der intensiven jovianischen Umgebung entwickelt wurde. Quelle: NASA

Der Schild ist für das Funktionieren von Juno so wichtig, dass er seinen eigenen Namen erhält - Juno Radiation Vault.

"Ohne seinen Schutzschild oder sein Strahlungsgewölbe würde Junos Gehirn beim ersten Durchgang in der Nähe von Jupiter frittieren."
- Scott Bolton, Junos Hauptermittler

Sogar dann wird erwartet, dass Juno später in diesem Jahr nicht mehr funktioniert, da Jupiter während seiner zweijährigen Missionsspanne mehrere Male in der Nähe ist. Eine Erinnerung daran, dass Platz schwierig ist.

Aber es lohnt sich zu erkunden.