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 Planetenforscher. Russland hatte sein Phobos-Grunt-Raumschiff gestartet, das auf Phobos landen sollte, dem ersten Versuch auf dem größten Marsmond. Was noch aufregender war, war, dass das Raumschiff ~ 200 g Probe von Phobos 'Oberfläche zurückbringen würde! Wissenschaft!

Manöver von Phobos Grunt um den Mars. Quelle: Wikipedia

Der Start war erfolgreich, aber das Raumschiff verließ den Low Earth Orbit (LEO) nie. 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 der Mission führte. Zusammen 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 vor dem Start weder für den Einsatz im Weltraum qualifiziert noch getestet wurden. Der Verlust von Phobos-Grunt und die Wissenschaft, die es tun konnte, war eine bittere Erinnerung an die unversöhnliche Natur der Weltraumforschung. Wenn wir bei der Entwicklung und dem Testen von Raumfahrzeugen Abstriche machen, um Kosten zu sparen, werden wir noch mehr kosten.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick darauf, wie die Elektronik von Raumfahrzeugen gebaut wird, um die Härte von Weltraumumgebungen zu überstehen, und einige interessante Einblicke in 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 Weltraumumgebungen standhalten und in ihnen zuverlässig funktionieren. Das US-Verteidigungsministerium schreibt über 100 Tests vor, um einen zuverlässigen Betrieb unter mechanischer Beanspruchung, großen Temperaturschwankungen und intensiver ionisierender Strahlung sicherzustellen. Alle elektronischen Komponenten in Weltraumqualität müssen individuell qualifiziert werden, im Gegensatz zu den in gewerblichen oder industriellen Anwendungen üblichen Probentests.

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

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 stammen sogar aus den 1990er Jahren. Es ist wichtig, etwas zu verwenden, das sich bewährt hat und von dem wir wissen, dass es funktioniert.

Elektronikkomponenten werden unter Verwendung einiger der folgenden Techniken für die Raumnutzung gehärtet:

Ein elektrischer Topftransformator, der für die Raumnutzung auf einer Leiterplatte installiert werden kann. 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 / gallertartigen Verbindung gefüllt, um Stößen und Vibrationen zu widerstehen.

2. Silizium auf Isolator

Chips für die Raumnutzung werden auf einem isolierenden Substrat anstelle eines Silizium-Substrats hergestellt, wodurch sie strahlungsbeständiger und fehlertoleranter sind.

3. RAM-Typen

Statische RAMs (SRAM) werden gegenüber dynamischen (DRAM) bevorzugt, da sie weniger leistungshungrig sind. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn Raumfahrzeuge in den Energiesparmodus wechseln, aber weiterhin Telemetrie senden müssen.

4. Externe Abschirmung

Eine externe 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 derzeit auf dem Weg zu einem Kuipergürtelobjekt sind.

Die Größen der für die Raumnutzung qualifizierten elektronischen Komponenten sind daher normalerweise viel größer als die für gewerbliche / industrielle Zwecke.

Auswirkungen von Strahlung auf die Elektronik von Raumfahrzeugen

Trotz der Komponenten, die als weltraumtauglich getestet wurden, können die Dinge in einer Weltraummission aufgrund intensiver Weltraumstrahlung immer noch unerwartet funktionieren. Eine Vielzahl von Effekten, die unter den Einzelereigniseffekten (Single Event Effects, SEE) kategorisiert sind, können betriebliche Probleme verursachen.

  • Ionen in der Weltraumstrahlung, die mit den Chipkomponenten interagieren, können die Zustände von Bits umdrehen und Speicherfehler verursachen.
  • Ein hochenergetisches Ion oder Proton, das durch innere Transistorübergänge läuft, kann Latchups verursachen, die zu Kurzschlüssen führen.
  • In ähnlicher Weise können diese hochenergetischen Teilchen auch Elektronen in einem Stromkreis verlieren lassen, was zu irreversiblen Schäden führt.

Speicherverluste, durcheinandergebrachte 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.

Lassen Sie uns neben dem Phobos-Grunt-Vorfall einen Blick auf Weltraummissionen werfen, die als ständige Erinnerung an die harte, unversöhnliche Natur der Weltraumforschung dienen.

Teil B - Interessante Fälle von Weltraumelektronik in verschiedenen Weltraummissionen

1. Wenn Sie Ihre Sternsensoren verlieren

Indiens erster Mondorbiter Chandrayaan-1 Sternsensor funktionierte nach einigen Monaten im Mondorbit nicht mehr. Die extreme Sonneneinstrahlung in Kombination mit anderen Faktoren führte auch zum Ausfall des Backup-Sternsensors.

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

Der Rest der Mission musste mit den Bordgyroskopen und ständigen Korrekturen von der Bodenstation aus abgeschlossen werden. Die Mission war letztendlich erfolgreich, aber es war eine Erinnerung daran, dass selbst weltraumtaugliche Komponenten ins Stocken geraten können.

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

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

Künstlerische Darstellung des NASA-Raumschiffs Galileo, das an Jupiters vulkanisch aktivem Mond Io vorbeifliegt. Quelle: NASA. Hinweis: In diesem Eindruck ist die Antenne mit hoher Verstärkung vollständig entfaltet dargestellt, jedoch nicht während der Mission.

Jede der verwendeten CPUs war die 8-Bit-RC 1802, die mit 1,6 MHz getaktet war. Sie wurden auf Saphir (Silizium auf Isolator) hergestellt, der strahlungsgehärtet und für die intensive jovianische Umgebung geeignet ist. Die Verarbeitungskapazität des Galileo-Raumfahrzeugs entsprach den klassischen Apple II-Computern, die vor einem Jahrzehnt 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 in der Entwicklung von Raumfahrzeugen Standard, um Probleme zu minimieren. Trotz dieser Schutzmaßnahmen verursachte Jupiters raue Umgebung im Laufe der Zeit über ein Dutzend Anomalien bei der Galileo-Raumsonde, einschließlich häufiger Zurücksetzungen der Bordcomputer.

3. Wenn Sonneneruptionen Ihre Sonnenkollektoren beschädigen

Auf dem Weg zum Asteroiden Itokawa im Jahr 2003 wurde das japanische Raumschiff Hayabusa von einer der größten Sonneneruptionen in der Geschichte getroffen. Die Fackel beschädigte die Sonnenkollektoren und reduzierte dadurch ihre Leistung. Nicht nur das, die Fackel nahm auch einen der vier Ionenmotoren des Raumfahrzeugs ab. Die Missionsdauer musste dadurch verkürzt werden.

JAXAs Hayabusa-Raumschiff in Itokawa. Quelle: Planetarische Gesellschaft

Die übermäßige Strahlung beschädigte die Verbindungsstellen in den Solarzellen und gab auch Anlass zur Sorge bei der Entwicklung von Juno, dem Raumschiff der NASA, das derzeit den Jupiter näher umkreist als jedes Raumschiff, das dorthin fuhr. Die Ingenieure wussten, dass sich die Sonnenkollektoren aufgrund der intensiven jovianischen Strahlung mit der Zeit verschlechtern würden. Das Risiko wurde auf ein akzeptables Maß minimiert, indem doppelt so dickes Solarpanelglas wie üblich verwendet und die Größe des Solarpanels erhöht wurde, um eine höhere Leistung zu erzielen.

4. Strahlenhärtung mit RAD-Computern

Eine der neuesten Generationen (in Bezug auf die Weltraumqualität) strahlungsgehärteter Chips ist der 32-Bit-RAD750 von BAE, der auf dem von IBM entwickelten PowerPC 750 basiert. Es wurde entwickelt, um Verluste auch bei extremer Strahlung durch Sonneneruptionen zu minimieren. 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, einschließlich des beliebtesten Marsrovers Curiosity aller.

Curiosity Rover Selfie am Mount Sharp. Quelle: NASA

Einige der anderen beliebten Weltraummissionen, die mit RAD750 betrieben 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, verfügen alle kritischen Missionen über redundante Module. Der Curiosity Rover verfügt über zwei RAD750-CPUs, von denen eine als Backup-Einheit fungiert und die übernommen wurde, als der erste Probleme mit dem Flash-Speicher hatte.

5. Der Fall von Juno und Jupiter

Juno wurde entwickelt, um Jupiters Pole zu studieren und näher an den Planeten heranzukommen als jedes andere Raumschiff zuvor. Er steht vor Herausforderungen. Es stellt sich heraus, dass die Verwendung von individuell getesteten Weltraumkomponenten, einer der am stärksten strahlungsgehärteten CPUs und die Verwendung redundanter Komponenten immer noch nicht ausreicht, um der rauen Umgebung in der Nähe von Jupiter, dem Planeten mit der größten Magnetosphäre im Sonnensystem, zu begegnen.

1 - Künstlerische Darstellung des Juno-Raumfahrzeugs mit seinen großen (und dicken) Sonnenkollektoren. Quelle: NASA. 2 - Junos Umlaufbahn bringt es Jupiter sehr nahe, um seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, und setzt es dabei gefährlichen Strahlungsgürteln aus. Quelle: Juno-Website

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

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

Die JPL-Ingenieure der NASA installieren den Juno Radiation Vault, um seine elektronischen Komponenten in einer intensiven Jupiter-Umgebung zu schützen. Quelle: NASA

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

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

Selbst dann wird erwartet, dass Juno später in diesem Jahr nicht mehr funktioniert, da Jupiter während seiner zweijährigen Missionsdauer mehrere enge Pässe hat. Eine Erinnerung daran, dass Platz schwer ist.

Aber es lohnt sich zu erkunden.