关于太空粒子对元器件性能影响研究分析

不久前猎户座飞船的试飞，是人类发射突破近地轨道 (LEO) 载人飞船的再一次尝试，也是自1974年阿波罗计划以来第一艘成功飞离地球的载人飞船。虽然太空探索技术在那之后已经有了突飞猛进，然而探险家和太空装置所面临的危险并没有任何改变。辐射、极端温度波动以及升空时的剧烈振动，这些只是工程师在为恶劣的外太空环境设计电子产品时必须考虑的其中一些因素。

图2: 美国宇航局立方星计划用微型卫星 (来源: Wikipedia)

如果你认为航天器这类高大上的技术只有高级工程师才能做到，那你就大错特错了。在今天，你不需要拥有像NASA那样雄厚的财力支持就可以登上太空，至少近太空是没问题的。很多创客都对新兴的业余太空探索活动表现出了极大的兴趣。现在的科学实验往往都与气象卫星有着千丝万缕的关系，为此美国宇航局设立了一项立方体卫星发射活动，如果你够幸运，还可以获得发射一颗微型卫星的机会。不管你的预算如何，太空运行环境对于电子产品来说都是一次严苛的考验。在设计太空电子产品时，必须要牢记各种设计技术与工程原理。在进行详细讨论之前，我们首先来了解下在外太空运行电子产品会遇到的各种难题。

运行环境分析

图3: 太空中辐射和高能粒子的产生 (来源: Wikipedia)

地球磁场形成了一个防护盾，能防止高能粒子（质子、电子和重离子）和辐射对人类造成伤害。这些粒子有的来源于太阳系，有的是在太阳粒子事件 (SPE) 中由太阳爆发释放出来。在离开地球安全范围以后，这些粒子对敏感型电子产品的影响也会越来越大。高能粒子通过多种方式对电子产品造成影响，有人专门就此进行了归纳总结：

·单粒子瞬变：高能粒子会对特别敏感的元件产生影响，进而产生瞬态电流或电压峰值。

·单粒子闩锁：粒子攻击会导致集成电路元件间发生电线短路，造成电气故障，但重启受影响的系统便可恢复。

·单粒子烧毁：损坏受影响器件的闩锁事件。

·单粒子翻转：内部积累的电荷引起存储器或逻辑器件发生“位翻转”（详情见下文）。

·位移损伤：高能粒子碰撞对芯片结构的累积影响。

·总剂量效应：绝缘体和氧化物中随时间推移积累的正电荷会导致电路故障。

所以说，不同的粒子事件可能会引起各种能从根本上改变元件工作特性的问题。而电路中形成的杂散电流（即“迷流”）会导致不正确的电路操作。更糟糕的是，引入过度的能量将会损坏芯片。如果积累了足够的电荷，处理器或存储器中的位就会发生翻转，进而损坏数据。而如果损坏的数据对于控制导航或引擎控制等关键子系统很重要，就有可能损失整个飞船。

辐射只是其中一个方面，还需要考虑在极短的时间内发生的极端温度变化（根据飞船航行方向和与太阳距离的不同，温度会从零下几百度突然变化到零上几百度，走向另一个极端）。如果处理不当，最理想的情况是由热应力导致不可预知的电路行为，最糟糕时还会带来灾难性故障。航空电子还必须能够应对在飞船驶离大气层之前遇到的各种问题。对于不是针对极端压力情况而设的元件和连接器，会因为火箭助推发射时的剧烈振动而被损坏。

设计坚固元件的必要性

在设计能够在外太空可靠运行的电子元件时，需要采用各种独特的设计技术来应对辐射和极端温度条件。在芯片级，对各元件进行一些基本的修改便可以提供更好的灵活性。冗余也是一种常用的设计技术，即在设计时用到额外和/或冗余的元件、电路或整个系统。最后，为保护机载电子产品，还需要考虑到操作注意事项。

下面我们来进一步了解一下每类设计技术：

芯片（元件）级设计要点：元件选择是太空系统设计中的重要一步，需要考虑到元件设计和制造技术之间的诸多差异：

·“抗辐射加固”是指重新设计电子元件（通常是半导体类元件）使之能更好的适应高能粒子环境而采用的各种设计与制造技术。通常的作法是将半导体硅衬底替换为“硅绝缘体” (SOI) 衬底或蓝宝石衬底（蓝宝石上硅，SOS）。如果有一个元件被高能粒子击中，替代衬底能够有效的减少杂散电流向其临近元件扩散。

在这里随便提一下你可能并不知道的太空半导体产品设计技巧：

·在某些应用中，双极结型晶体管的抗辐射能力优于CMOS电路。

·用静态RAM取代动态随机存取存储器 (DRAM)的这种设计权衡很常见，虽然SRAM在成本和实际布局（单位面积存储空间更小）方面都不是很理想，但胜在它的耐性更强。

坚固耐用的冗余系统：选择好能够满足运行要求的坚固元件后，下一个关键步骤就是确保系统整体架构合理，并且元件之间的接口也与元件本身的设计一样完美。

·选择合适的材料是提高内部系统抗辐射性的关键。虽然铜、铝屏蔽材料抵抗能量较高的宇宙射线的效果不是很好，但却可以用来保护飞船电路免于某些粒子的攻击。另外，也可以选用铅屏蔽材料。

·Hamming距离函数和奇偶校验位可用于存储器错误检测和校正。Hamming函数为软件解决方案，会增加处理开销。

·三模冗余 (TMR) 等模块化冗余技术是一种拓扑设计，这种技术采用相同电路的冗余副本来处理相同的数据输入，然后将输出传送到“择多门”进行比较，并决定要传递到系统下游的正确方案。这种方法全部采用硬件操作，从速度上来说完胜Hamming 方案。美国某已报废航天飞机的数据处理系统 (DPS) 运用了5个冗余备份系统，其中有一个系统采用的软件是专门针对故障安全而独立开发的。而看门狗定时器被称为另一种检测和恢复计算机故障的设计技术。看门狗定时器采用递减计数方式，而且主处理器会在计数到零之前将其复位。如果主计算机发生故障的同时看门狗定时器也计数到零，这种情况下看门狗会生成一个复位信号来重启主处理器，并让处理器在恢复正常操作之前处于安全模式。

·机电系统也是宇宙飞船上不可或缺的一部分，它所面临的难题是需要在进入寒冷的外太阳系前能够应对内太阳系的高温环境。温度传感器在搭配百叶窗这类机械系统后，能够很好的调节飞船的内部温度。

·我们已经就半导体设计进行了大篇幅的讨论，当然也不能忽略了航天电子产品容易出现问题的另一个地方：子系统之间的接口。系统之间的连接器和电缆连接器必须足够的坚固，这样才确保飞船能够成功发射，甚至返回。

·当然还要考虑太空站的维护问题。考虑周详的设计对于太空操作至关重要，只是这将是一个非常艰辛的过程。还记得阿波罗13号中的圆形和方形二氧化碳过滤装置吗？在三名宇航员安全转移到登月舱后问题出现了，登月舱原本设计为供两名宇航员使用36小时，可现在却有三名宇航员要靠它存活96小时。为挽救宇航员的生命，休斯顿的工程师们在已废弃的奥德赛指令舱中迅速拼装出了一个能与方形盒子对接的过滤管道，成功解决了二氧化碳吸收问题。

图4: 宇航员JohnSwigert对右手边的方形过滤盒子进行改造，通过拼装出的管道与登月舱中的圆形盒子对接，用到的就是宇航服内的软管。(来源: Mouser)

我们都知道一致且简单的设计不仅可以降低成本，还能挽救生命。大多数工程师都会将简单高效美观的设计定义为“精巧”。Phoenix Contact的SUNCLIX光伏连接器虽然是为地球号太空船而设的，但因为不需要组装工具，因此在很多场合也都被认定为“精巧的设计”。如果说坚固耐用的冗余系统是一种工程方法论，那么精巧的设计就是经验、天赋和创造性融为一体的产物。

图5: Phoenix Contact的SUNCLIX光伏连接器展现出了精巧的设计工艺 (来源: Mouser)

运行过程：在飞船和相关子系统运行中采用一些有效的方法也能减少影响：

·轨道的选择很重要，因为某些轨道上分布的高能粒子较少。CubeSat这类宇宙飞船所运行的轨道都非常安全，因此可以使用商业现货(COTS) 元件（无需辐射加强工艺）。

·在进入高辐射太空区域之前对所有系统断电（当然最关键的系统除外），是保护机载系统所常用的方法。

Beyond the Final Frontier逾越最后一道屏障

对于电子元件来说，太空并不是唯一的恶劣环境。在地球上，我们就可以发现无数种恶劣的运行环境，比如：

·极地地区：超低温

·沙漠/雨林地带：高温或非常潮湿的环境

·深海：高压、低温

·工业：化学腐蚀环境

·医疗：人体内环境

每种环境都有着其独特的运行问题。对于系统工程师来说，熟悉运行环境是制定有效设计决策、在设计初期考虑到所有可能的环境状况的关键。当然如果你认为能设计出一个可以适应任何工作情况的解决方案，可能就有点异想天开了。

飞船登陆后的设计问题就更加复杂了，航天器的使命不同，它的维护操作也会有不同的限制。工程师必须采用大量的技术确保系统可以处理可能会遇到的故障，这也是为什么抗辐射加固元件在技术上可能会落后5年甚至更久，但仍然比同类传统用途COST贵。所有工程风投必须在成本、进度和技术性能之间取得平衡，当然太空系统也未能幸免。某些承载了特殊使命的飞船登陆时间可能只有几天，一旦错过，就意味着要等待数年才能获得另一次机会。总之，太空任务的成功，离不开勇敢、大胆的设计。