За последние пару десятилетий мы стали свидетелями стремительно растущей активности в космосе. Разные страны значительно расширили свои космические возможности благодаря более совершенным спутникам, которые приносят множество полезных функций. Эти спутники применяются для наблюдения за Землёй, связи, навигации, прогноза погоды, астрономических наблюдений и многого другого.
С ростом спутниковой индустрии возникла необходимость в создании эффективных и высоконадёжных компонентов для их производства. В этой статье речь пойдёт об электронике, используемой в спутниках.
Не секрет, что космос — это крайне суровая и неблагоприятная среда, а процесс вывода спутника на орбиту буквально является «ракетной наукой». Поэтому электронные компоненты, применяемые в спутниках, должны выдерживать широкий спектр сложнейших условий — от запуска с Земли до экстремальной среды открытого космоса.
Одной из недавних аварий, вызванной отказом электронных компонентов, стала ситуация в 2011 году. Россия запустила аппарат «Фобос-Грунт», миссия которого заключалась в доставке 200 г грунта с марсианского спутника Фобос. Однако аппарат так и не смог покинуть низкую околоземную орбиту, так как его двигатели не запустились. Расследование показало, что часть применённых электронных компонентов не имела космической квалификации.
Существует множество факторов, которые электронные компоненты должны переносить без потери работоспособности. Вот некоторые из них:
Запуск:
Спутники выводятся в космос ракетами-носителями — крайне мощными и сложными машинами. Однако во время старта создаются сильные механические вибрации, которые могут вызвать резонанс и другие проблемы в электронных компонентах.
Газовыделение (outgassing):
Это явление, при котором из материала (например, пластика, клеёв или смол) выделяются газы. Они могут оседать на соседних устройствах, препятствуя их работе или снижая эффективность.
Экстремальные перепады температур:
В космосе отсутствует атмосфера, поэтому температуры сильно колеблются. Например, на поверхности Луны температура может изменяться от -200 °C ночью до +200 °C днём.
Оловянные усы:
Космос — благоприятная среда для образования так называемых оловянных усов. Это проводящие кристаллические образования олова, которые иногда вырастают на поверхностях, покрытых оловом. Они могут вызвать короткое замыкание, поэтому использование некоторых материалов в космосе запрещено. В частности, чистое олово, цинковое и кадмиевое покрытия исключены в стандартах IEEE. Использование припоев на основе свинца позволяет устранить этот риск.
Космическая радиация:
Электронные компоненты чрезвычайно чувствительны к радиации, которой в космосе очень много. Уровень радиации зависит от орбиты спутника — низкой (LEO), геостационарной или межпланетной. Кроме того, он изменяется в зависимости от солнечного цикла, который включает фазы минимальной и максимальной активности. Это также учитывается при расчётах срока службы спутников.
Эти факторы — лишь часть серьёзных проблем, с которыми сталкиваются электронные компоненты в космосе. Как уже говорилось, космическая среда крайне сурова и при этом непредсказуема.
Возникает вопрос: как определить, подходит ли электронный компонент для применения в космосе? Следует учитывать, что космические миссии и спутники стоят огромных денег, и отказ оборудования может привести к катастрофическим последствиям для всей миссии. Для этого существуют специальные сертификаты, подтверждающие «космическую готовность» компонентов. Их можно получить только после прохождения жёстких испытаний в экстремальных условиях, которые подтверждают способность устройств работать в космосе.