Elektronika kosmiczna

Zastosowania technologii kosmicznych wykraczają poza te abstrakcyjne dla większości ludzi, jak: turystyka kosmiczna, kolonizacja innych planet czy misje naukowe, które mają na celu zbadanie struktury wszechświata oraz jego genezy. Wielu byłoby zaskoczonych, dowiadując się, jak wielki wpływ mają one na nasze życie i to nie tylko dlatego, że na co dzień korzystamy z wynalazków opracowanych przez NASA na potrzeby misji kosmicznych, jak na przykład: filtry do wody, wykrywacze dymu czy tworzywa sztuczne, które są odporne na zarysowania, lecz przede wszystkim dzięki komercyjnym satelitom zapewniającym dostęp do szeregu usług.

Można je podzielić na następujące kategorie według zastosowania: nawigacja, telekomunikacja oraz obserwacja. Jeśli chodzi o segment nawigacji satelitarnej, możliwości wykorzystania usługi lokalizacji za pośrednictwem systemu GPS są bardzo szerokie. Oprócz nawigacji samochodowej korzysta się z niego na przykład w: pomiarach geodezyjnych, zarządzaniu flotami pojazdów, a w przyszłości też w kierowaniu samochodami autonomicznymi.

Satelity telekomunikacyjne z kolei transmitują sygnały radiowe i telewizyjne. Przykłady usług świadczonych za ich pośrednictwem to satelitarny: telefon, telewizja, radio i Internet. Zapewniają one sygnał na terenach trudno dostępnych i w razie awarii naziemnej infrastruktury teleinformatycznej.

Przykłady usług satelitarnych

Satelity obserwacyjne dostarczają informacji o warunkach panujących na Ziemi. Przykładowe ich zastosowanie to rolnictwo - na podstawie danych rejestrowanych przez ich pokładowe sensory, w połączeniu z odczytami z czujników naziemnych, ocenia się stan upraw, w tym tempo wzrostu roślin oraz jakość gleby. To pozwala zastosować odpowiednie nawożenie i ułatwia wskazanie obszarów zagrożonych przez szkodniki, aby można było zastosować substancje je zwalczające.

Oprócz tego satelity obserwacyjne ułatwiają ochronę łowisk przed ich nadmierną eksploatacją i nielegalnymi, nieregulowanymi i niezgłaszanymi połowami dzięki monitorowaniu tras statków, metod połowu i podejrzanych zachowań. Są też wykorzystywane w poszukiwaniach surowców mineralnych, na przykład nowych złóż ropy naftowej.

Oddzielną grupę stanowią satelity meteorologiczne, które wyposaża się w sprzęt pomiarowy do monitorowania atmosfery oraz powierzchni Ziemi. Oprócz dostarczania danych, na podstawie których przygotowywane są prognozy pogody, ułatwiają analizowanie zmian klimatycznych. Satelity obserwacyjne wykorzystuje się także do wykrywania oraz monitorowania przebiegu zdarzeń rozwijających się na dużym obszarze, jak wycieki ropy naftowej, czy pożary lasów.

Satelity są naszpikowane elektroniką

Typowy satelita zbudowany jest z kilku modułów odpowiadających za: utrzymanie go na zadanej orbicie i w określonym położeniu w przestrzeni, nakierowywanie anten na określone obszary kuli ziemskiej, chronienie elektronicznego wyposażenia przed szkodliwym oddziaływaniem przestrzeni kosmicznej oraz zasilanie. Aparatura tego obiektu zamknięta jest w obudowie, zwykle cylindrycznej albo pudełkowej.

Pozycję satelity korygują podsystemy działające w oparciu o instrukcje z naziemnych stacji kontrolnych i wskazaniach czujników, które określają jego położenie względem Słońca, Ziemi, gwiazd i sensorów inercyjnych. Wyposaża się go również w: napęd (silniki odrzutowe, zbiorniki z paliwem rakietowym), zasilanie (panele fotowoltaiczne, akumulatory), podsystemy monitorujące stan urządzeń pokładowych i odpowiadające za stabilizację temperatury obiektu i jego aparatury.

Wyposażenie elektroniczne zależy od typu satelity. Na przykład w nawigacyjnych obejmuje: zegary atomowe, generatory sygnałów, wzmacniacze mocy. Satelity telekomunikacyjne z kolei wyposaża się w: nadajniki i odbiorniki, wzmacniacze mocy, mieszacze i lokalne oscylatory, demodulatory i modulatory oraz wzmacniacze mocy. Obserwacyjne natomiast mają na pokładzie liczne czujniki mierzące na przykład promieniowanie słoneczne odbite od powierzchni Ziemi.

Pojazdy kosmiczne tego typu stanowią zatem nagromadzenie podzespołów elektronicznych. Biorąc to pod uwagę oraz fakt, że nagłe wyłączenie wszystkich sztucznych satelitów, które krążą po orbicie naszej planety, miałoby destrukcyjny wpływ na wiele dziedzin naszego życia, a wraz z rozwojem usług, które są za ich pośrednictwem świadczone, będzie ich przybywać, można przewidywać, że rynek elektroniki kosmicznej ma duży potencjał, nawet jeżeli kolonizacja Marsa czy wycieczki w kosmos to na razie odległa przyszłość.

Problemy na starcie

Misje kosmiczne to złożone przedsięwzięcia. Dobre do nich przygotowanie wymaga rozpatrzenia szeregu scenariuszy przewidujących, co może pójść nie tak.

Stopień dotkliwości oddziaływania środowiska kosmicznego zależy od specyfiki pojazdu i jego zasięgu - inny poziom wytrzymałości elektroniki jest wymagany w przypadku rakiet nośnych, satelitów geostacjonarnych czy łazików marsjańskich. Bez względu na to problemy mogą wystąpić już w czasie opuszczania atmosfery ziemskiej.

Podczas startu rakiety nośnej wynoszącej ładunek w przestrzeń kosmiczną występują silne wibracje i efekty dźwiękowe. Te drugie są spowodowane m.in. odbijaniem się fali akustycznej od platformy startowej, natomiast źródłem drgań są silniki rakiety oraz turbulencje towarzyszące przechodzeniu pojazdu przez kolejne warstwy atmosfery. Newralgicznym momentem jest także detonowanie ładunków pirotechnicznych, które wykonuje się w celu przykładowo: rozłączenia kolejnych członów rakiet wielostopniowych, otwarcia kapsuły albo odłączenia satelity od rakiety.

Występuje wówczas silny wstrząs będący reakcją struktury, w której rozchodzi się fala naprężeń o dużej częstotliwości i amplitudzie powstałych na skutek wybuchu. Nadmierne wibracje i wstrząsy mogą osłabiać połączenia podzespołów elektronicznych z płytką drukowaną, uszkodzić je i PCB i destabilizować pracę komponentów elektronicznych o częstotliwościach rezonansowych, które są zbliżone do częstotliwości fali uderzeniowej.

W historii nie brakuje przykładów misji kosmicznych, których początek okazał się zarazem ich końcem. Niestety, im dalej w kosmos, tym potencjalnych powodów awarii przybywa.

Przegląd zagrożeń

Kolejny problem to gazowanie materiałów, czyli parowanie i uwalnianie powietrza uwięzionego w ich strukturze. Występuje na przykład w klejach i tworzywach sztucznych, z których wykonywane są elementy podzespołów elektronicznych. Ich opary, osadzając się na przykład na komponentach optycznych pogarszają ich działanie.

W wysokiej próżni gazowanie może zachodzić również w płytkach drukowanych. Wynika to stąd, że PCB wykonywane są z materiałów kompozytowych, które charakteryzują się porowatością i zawierają pęcherzyki powietrza zamknięte w laminacie na etapie produkcji.

Satelity poruszające się po orbicie geostacjonarnej wymagają zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi, które mogą sięgać 20 kV. W tym celu ich wszystkie zewnętrzne powierzchnie pokrywa się albo wykonuje z materiałów przewodzących.

Na niskiej orbicie okołoziemskiej z kolei problemem jest tlen atomowy, z którego w około 96% składa się atmosfera na tej wysokości. Charakteryzują go silne właściwości korozyjne. Są na nie narażone zwłaszcza tworzywa sztuczne. By je zabezpieczyć przed zniszczeniem, pokrywa się je powłokami z materiałów niewchodzących w reakcję chemiczną z tlenem atomowym.

Skoki temperatury i wąsy cynowe

Pojazdy kosmiczne są też narażone na bardzo duże wahania temperatury. Dotyczy to szczególnie satelitów krążących wokół Ziemi, które w zależności od położenia na orbicie są nagrzewane przez Słońce lub schładzane, gdy znajdują się po stronie zacienionej przez Ziemię. Temperatura w takim cyklu może się zmienić nawet o 300°C.

Ze względu na bliskość Słońca satelity krążące po orbicie geostacjonarnej powinny być odporne na większe wahania temperatury niż statki kosmiczne na niskiej orbicie okołoziemskiej. W głębi kosmosu, im dalej od Słońca, problem stanowią z kolei bardzo niskie temperatury - na przykład w okolicach Neptuna spadają do ponad -200°C.

Przestrzeń kosmiczna, ze względu na występowanie próżni, stwarza też niestety korzystne warunki do formowania się wąsów cynowych (tin whiskers), czyli cienkich, włosowatych, przewodzących prąd elektryczny struktur krystalicznych. Tworzą się one spontanicznie na powierzchni metalu, osiągając długość od kilku do nawet dziesięciu milimetrów (zazwyczaj poniżej 1 milimetra).

Wąsy cynowe są niepożądane, ponieważ zwierają sąsiadujące elementy elektroniczne. Groźne są zarówno zwarcia ciągłe, jak i chwilowe, nawet jeżeli wąsy cynowe po pewnym czasie ulegają spaleniu. Poza tym te włosowate struktury kruszą się i rozsypują. Takie zanieczyszczenia na powierzchni płytek drukowanych pogarszają właściwości cieplne laminatu, komponentów elektronicznych, ścieżek, a poza tym negatywnie wpływają na działanie optoelektroniki i układów MEMS.

Groźne promieniowanie kosmiczne

Bardzo szkodliwym czynnikiem jest również promieniowanie kosmiczne - może ono uszkodzić, a nawet całkiem zniszczyć podzespoły elektroniczne. Szczególnie silnie oddziałuje ono w pasie Van Allena, który rozciąga się wokół Ziemi. Można wyróżnić w nim dwa obszary. Wewnętrzny pas radiacyjny, którego środek przypada na wysokości około 3 tys. km nad powierzchnią Ziemi zawiera głównie protony o bardzo dużej energii (rzędu kilkudziesięciu MeV) oraz elektrony. Zewnętrzny pas z kolei składa się przede wszystkim z elektronów o bardzo dużej energii (rzędu setek MeV). Jego centrum znajduje się na wysokości około 15-20 tys. km nad powierzchnią Ziemi.

Poza tym w przestrzeni kosmicznej występuje również promieniowanie z innych źródeł. Przykładem jest wiatr słoneczny, czyli strumień protonów, elektronów i cząstek alfa, zależny od aktywności Słońca.

Oddziaływanie promieniowania kosmicznego na elektronikę może mieć różny charakter. W tym zakresie wyróżnia się dwie kategorie zjawisk: TID (Total Ionizing Dose) oraz SEE (Single Event Effects). Pierwsza polega na kumulowania się promieniowania w czasie, co powoduje stopniowe pogarszanie się parametrów podzespołów elektronicznych.

Wśród efektów TID wymienić można: ograniczenie prądu w tranzystorach bipolarnych, zmniejszenie ich wzmocnienia i zwiększenie prądu upływu, pogorszenie charakterystyki optoizolatorów, zmianę przewodności kanałów i poziomów przełączania tranzystorów MOSFET.

SEE polega z kolei na gwałtownej zmianie parametrów komponentów elektronicznych albo nawet ich zniszczeniu pod wpływem silnej, jednorazowej dawki promieniowania. Do efektów SSE zalicza się m.in.: latch-up, zwiększenie prądu powodujące przepalenie się struktury, zniszczenie dielektryka.

Jak się chroni elektronikę kosmiczną?

Opisane uciążliwe czynniki wymagają stosowania specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych, które zmniejszą ich oddziaływanie na wrażliwe podzespoły elektroniczne i budowane z nich obwody. Przykładowo przed skutkami nadmiernych wibracji i wstrząsów towarzyszących startom rakiet komponenty oraz płytki PCB zabezpiecza się przez zalewanie (potting). Operacja ta polega na zatopieniu obwodów elektronicznych w całości lub częściowo płynnej substancji, która ulega utwardzeniu w wyniku reakcji chemicznej.

Zalewy są przeważnie kilkuskładnikowe. W tym zastosowaniu najpopularniejsze są żywice: epoksydowe, poliuretanowe oraz silikonowe. Te pierwsze charakteryzuje duża odporność mechaniczna. W porównaniu z nimi poliuretanowe wyróżnia niższa temperatura reakcji chemicznej. Żywice silikonowe z kolei sprawdzają się w wysokich temperaturach pracy.

Przed użyciem zalewa musi być dobrze wymieszana i odpowietrzona. Efekt końcowy zależy również od przebiegu procesu zatapiania, przede wszystkim jego szybkości oraz precyzji odmierzania dozowanej żywicy.

Unikanie gazowania. Zapobieganie wąsom cynowym

Zjawisku gazowania zapobiega się, wykonując obudowy komponentów elektronicznych z ceramiki zamiast z tworzyw sztucznych. Jeśli natomiast chodzi o płytki drukowane, na przykład w NASA obowiązują określone procedury w zakresie oceny materiałów pod kątem ich charakterystyki uwalniania gazów. Przykładami laminatów, których stopień gazowania jest mały, są te z serii RT/duroid wykonane z teflonu z wypełnieniem z materiałów nieorganicznych, jak szkło czy ceramika.

By z kolei zapobiec, a przynajmniej spowolnić wzrost wąsów cynowych należy unikać używania czystej cyny zastępując ją stopem tego metalu z innymi. Przykładem jest stop cyny z ołowiem o zawartości tego ostatniego co najmniej 3% wagowo. Wprawdzie badania pokazują, że powłoki wykonane z tego materiału nie są całkiem wolne od wąsów cynowych, jednak struktury te są znacznie krótsze. Inny sposób to dodanie warstwy podkładu z niklu między powłoką cynową a metalem bazowym, czyli miedzią. Zadaniem warstwy pośredniczącej jest zmniejszenie naprężeń w warstwie cyny. Zamiast niklu można użyć srebra.

Jak stabilizować temperaturę...

W pojazdach kosmicznych zazwyczaj korzysta się z podzespołów elektronicznych dopuszczonych do pracy w rozszerzonym zakresie temperatur od -40 do +110°C, w które na Ziemi wyposaża się urządzenia przemysłowe i samochody, a nawet w jeszcze szerszym od -55 do +125°C, w którym bez zakłóceń powinny działać komponenty elektroniczne montowane w sprzęcie wojskowym.

Poza tym stosuje się różne sposoby stabilizowania temperatur na statku kosmicznym, w przypadku gdy jest on silnie nagrzewany przez Słońce oraz swoje wewnętrzne źródła ciepła. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że nie jest to proste, ponieważ w przestrzeni kosmicznej spośród trzech obowiązujących na Ziemi mechanizmów wymiany ciepła, czyli: przewodzenia, konwekcji oraz radiacji, ze względu na występowanie w niej próżni, można skorzystać wyłączenie z ostatniego.

Pojazdy kosmiczne chłodzi się zatem przez wypromieniowywanie energii termicznej w kosmos. Wśród rozwiązań, które wspomagają ten proces, wymienić należy: wymuszanie przepływu ciepła z nasłonecznionej strony pojazdu na stronę zacienioną, obracanie statku, montaż radiatorów, powłoki silnie odbijające światło.

...i chronić przed promieniowaniem?

Jeśli natomiast chodzi o sposoby na zwiększanie temperatury stosowane w przypadku pojazdów wysyłanych w głąb kosmosu, wymienić należy: wprowadzanie izolacji termicznej oraz zaczernianie powierzchni. Segmenty statku i jego aparaturę ponadto podgrzewa się. W tym celu korzysta się z tradycyjnych oraz radioizotopowych urządzeń grzewczych. Te drugie dostarczają ciepło, którego źródłem jest rozpad promieniotwórczy pierwiastków. Ich zaleta to długi czas pracy wynoszący dziesiątki, a nawet setki lat.

Podstawowym sposobem na uniknięcie szkodliwego wpływu promieniowania kosmicznego na wrażliwą na nie elektronikę jest nieumieszczanie statków w pasie Van Allena - przykładowo satelity krążą zazwyczaj ponad jego zewnętrznym i poniżej wewnętrznego pasa radiacyjnego. Natomiast aby ograniczyć wpływ wiatru słonecznego w czasie jego nasilenia, satelity są czasowo wyłączane.

Ochronę przed promieniowaniem kosmicznym zapewnia też obudowa statku. Dodatkowo podzespoły ekranuje się, co jest skutecznym zabezpieczeniem przed TID. Przed efektem SEE, poza zwiększeniem odporności struktury układu elektronicznego m.in. dzięki jej wykonaniu w technologii SOI (Silicon On Insulator), zabezpieczają również rozwiązania dodatkowe, na przykład: kontrola parzystości i potrójna redundancja modularna.

Monika Jaworowska