Ключевая роль полупроводниковых компонентов в космических миссиях:
С момента запуска первого американского спутника Explorer 1 на борту ракеты Jupiter-C компоненты Microchip доказали свою пригодность для использования в космосе, отвечая строгим стандартам радиационной безопасности и надежности в открытом космосе.
Роль полупроводниковых компонентов в космических миссиях началась с устройств управления частотой, которые имели решающее значение на ранних этапах миссий. Управление частотой, такое как кварцевые генераторы, управляемые напряжением генераторы на поверхностных акустических волнах (VCSO) или атомные часы, является основополагающим элементом электроники космических миссий, обеспечивая точную передачу и прием сигналов, поддерживая стабильность связи, целостность данных и синхронизацию системы. Эти компоненты были жизненно важны для успеха первой американской космической миссии в 1958 году и заложили основу для наследия надежности в космосе. Высадка на Луну экипажа Apollo 11 в 1969 году, одно из величайших достижений человечества, также опиралась на эти технологии. Microchip обеспечила критически важную поддержку связи внутри лунного модуля Apollo 11 на лунной поверхности.
Рубидиевые, поверхностные акустические и кварцевые генераторы используются в большем количестве военных средств связи, наземных спутниковых станций, а также в измерительных и испытательных приложениях, чем любые другие прецизионные эталоны частоты в мире.

Миссия «Вояджер-1», на данный момент самый удаленный от Земли искусственный объект, еще раз продемонстрировала беспрецедентные возможности полупроводников в космосе. Электроника «Вояджера-1» включала в себя комбинацию интегральных схем логики с временным разрешением (TTL) и комплементарной металл-оксидной полупроводниковой (CMOS) схем, аналоговые компоненты, микросхемы памяти и специализированные полупроводники, разработанные для решения задач, связанных с дальним космосом. В качестве основного компьютера «Вояджера-1» использовался специально разработанный для космического аппарата центральный процессор (ЦП) SPS-8. В то время микросхемы TTL были популярным типом цифровых интегральных схем, тогда как сейчас большинство полупроводниковых интегральных схем основаны на CMOS.

В последние годы полупроводниковые технологии играют фундаментальную роль в исследовании Марса. Марсоходы Curiosity и Perseverance, предоставившие бесценную информацию о Красной планете, полагаются на эти компоненты для функционирования в суровых марсианских условиях. Марсоход, в частности Perseverance, содержит несколько компонентов от Microchip Technology. К ним относятся микроконтроллеры, используемые для различных систем управления и задач обработки данных, а также интегральные схемы управления питанием, которые имеют решающее значение для эффективного управления подачей энергии к различным частям марсохода. Все эти компоненты являются радиационно-стойкими, что гарантирует устойчивость электроники к суровым космическим условиям. Эти компоненты необходимы для работы марсохода и помогают ему выполнять научные задачи на Марсе.
Что касается исследования Луны, то в миссии Chandrayaan-3, третьей индийской миссии по исследованию Луны, также использовались несколько полупроводниковых компонентов. Эти компоненты, такие как радиационно-стойкие (RT) FPGA, имеют решающее значение для успеха миссии, обеспечивая связь, навигацию и проведение научных экспериментов на лунной поверхности.
Продолжающиеся миссии «Артемида», цель которых — вернуть людей на Луну и в конечном итоге отправить их на Марс, также опираются на проверенную эффективность и надежность полупроводниковых технологий.

Важность надежности и производительности в космических программах.
В суровых условиях космоса надежность и производительность не просто важны, они критически необходимы. Полупроводниковые компоненты лежат в основе современных космических миссий, обеспечивая работу всего, от спутников и марсоходов до систем связи и космических станций. Учитывая экстремальные условия космоса — экстремальные температуры, интенсивное излучение и вакуум — компоненты должны безупречно функционировать в течение длительного времени. Даже малейший отказ полупроводника может привести к провалу миссии, что подчеркивает важность выбора высоконадежных компонентов.

Проблема радиации в космосе:
Космос насыщен высоким уровнем радиации, которая может быть губительной для электронных компонентов. Эта радиация может разрушать материалы, вызывать электрические сбои и искажать передаваемые данные. Например, солнечное излучение за пределами защитной атмосферы Земли может подвергать компоненты воздействию энергетических частиц, вызывающих однократные сбои (SEU) или повреждение от полной дозы радиации.
Для решения этих проблем используются передовые методы радиационной защиты, включая применение специализированных материалов, таких как радиационно-стойкие полупроводники, и модификации конструкции, снижающие уязвимость к радиации. Например, микропроцессоры космического класса, используемые в бортовых компьютерах, часто имеют радиационную стойкость по своей конструкции (RHBD), так что отказ не приводит к сбою всей системы.
Испытания на выносливость для имитации космических условий:
В дополнение к радиационной стойкости, компании с многолетним опытом работы в космических миссиях разработали строгие процессы тестирования и квалификации, обеспечивающие надежность и производительность их компонентов. Эти испытания выходят далеко за рамки стандартного контроля качества производства. Полупроводники космического класса проходят обширные испытания на термическую цикличность, имитирующие значительные колебания температуры в космосе — от интенсивного солнечного тепла до ледяного холода глубокого космоса. Примером может служить тестирование компонентов марсохода «Персеверанс» НАСА, которые подвергались перепадам температуры от -55°C до 125°C, что требовало от компонентов способности выдерживать такие экстремальные условия без разрушения.
Компоненты также проходят вибрационные испытания для имитации нагрузок и вибраций, возникающих во время запуска. Интенсивные силы, возникающие при запуске ракет, не имеют аналогов на Земле, поэтому полупроводниковые компоненты должны выдерживать эти условия без ущерба для своей целостности. Например, во время миссии «Аполлон-11» критически важные электронные компоненты прошли вибрационные испытания, чтобы убедиться в их способности выдержать мощные силы запуска, что в конечном итоге способствовало успешной высадке на Луну.

Долгосрочная надежность: примеры из истории космоса.
Космические миссии требуют компонентов, которые не только функционируют во время миссии, но и продолжают надежно работать в течение длительного времени. Космический аппарат «Вояджер-1», запущенный в 1977 году, является ярким примером того, насколько важна надежность для длительных миссий. После более чем 40 лет в космосе аппарат все еще поддерживает связь с Землей благодаря полупроводниковым компонентам, прошедшим радиационную стойкость и строгие испытания на устойчивость к экстремальным условиям.
Другой пример — Международная космическая станция (МКС), которая использует многочисленные полупроводниковые системы для поддержания систем жизнеобеспечения, проведения научных экспериментов и поддержания связи. МКС постоянно подвергается воздействию суровой радиационной среды космоса, с температурами от +121 °C (на Солнце) до -157 °C (в тени), однако полупроводниковые компоненты на борту должны надежно функционировать день за днем.

Будущее полупроводниковых компонентов в космосе:
По мере развития космической отрасли, включая создание низкоорбитальных спутников и растущую коммерциализацию космоса, растет и спрос на надежные высокопроизводительные полупроводниковые компоненты. Новые космические проекты требуют компонентов, способных решать уникальные задачи, сочетая высокую надежность, инновационность и экономичность.

Расширяющиеся горизонты: Развивающийся космический рынок

В космической отрасли наблюдается растущая тенденция к увеличению использования готовых коммерческих устройств (COTS), которые благодаря своей доступности обеспечивают экономически эффективное решение для космических миссий. Спутниковая сеть Starlink использует компоненты COTS для снижения затрат и ускорения производства. Многие бортовые электронные компоненты, особенно для некритичных систем, основаны на этих компонентах, которые недороги и были тщательно отобраны за свою надежность в космических условиях.

Ярким примером является европейская ракета-носитель Ariane, разработанная совместно ЕКА (Европейским космическим агентством) и CNES (Французским космическим агентством). Ariane 5 (1985) была оснащена защищенным центральным процессором Sparc класса QML в герметичном корпусе и сетью 1553 для связи между всеми системами ракеты. Последняя версия, Ariane 6 (2024), теперь включает в себя процессор COTS на основе архитектуры Arm®, с пластиковым корпусом и Ethernet для связи. Это также широко распространенный отраслевой стандарт, в отличие от космических и военных технологий, используемых в Ariane 5.
Однако для высоконадежных систем, которые должны поддерживать высокую производительность в космической связи, устройства COTS должны быть адаптированы и сертифицированы, что требует специальных знаний. Компаниям, желающим выйти на космический рынок или перейти из освоения космоса в дальний космос, следует сотрудничать с компаниями-производителями полупроводников, имеющими подтвержденный опыт полетов и способными модернизировать устройства COTS в соответствии со строгими требованиями космических миссий.

Узнайте, как объединенный маршрут полетов открывает путь к новой эре доступности и сотрудничества в космических приложениях

Компания Microchip предлагает клиентам простой путь перехода от стандартных коммерческих устройств (COTS) к устройствам, прошедшим космическую сертификацию. Такой подход обеспечивает масштабируемые и настраиваемые решения, адаптированные к уникальным требованиям каждой миссии. Эта гибкость крайне важна в космической отрасли, динамичном и постоянно развивающемся секторе, где постоянно появляются новые технологии и профили миссий. Снижая барьеры для коммерциализации и исследования космоса, Microchip способствует более широкому доступу к космическим технологиям и инновациям.
В ближайшей перспективе будущее полупроводников в космосе можно представить как сочетание нескольких стратегий: совершенствование стандартных коммерческих устройств (COTS), использование нашего опыта космических полетов с версиями продуктов, соответствующими требованиям QML, для снижения требований к выбору, уменьшения затрат и сокращения сроков поставки, а также адаптация производственных процессов к уникальным требованиям конкретных профилей миссий.
Объединяя эти подходы, мы продолжим обеспечивать надежное и адаптируемое будущее для полупроводников в космосе.

В заключение
следует отметить, что полупроводниковые компоненты имеют решающее значение для успеха космических миссий, обеспечивая необходимую надежность и производительность в суровых условиях космоса.
По мере дальнейшего развития космической отрасли спрос на надежные и высокопроизводительные полупроводниковые компоненты будет только расти.

Автор: Николас Ганри, старший менеджер по маркетингу подразделения аэрокосмической и оборонной промышленности компании Microchip Technology.