استخدام تكنولوجيا COTS في الفضاء

إن استخدام تقنيات COTS في التطورات ذات الأغراض الخاصة هو وسيلة مثبتة لتقليل الوقت والتكاليف المالية. تناقش المقالة تجربة استخدام COTS لإنشاء أجهزة كمبيوتر مستخدمة على متن المركبة الفضائية.



COTS (تجاري جاهز - "جاهز للاستخدام") - تعني التكنولوجيا أنه يتم تطبيق نهج خاص لبناء الأنظمة ذات الأغراض الخاصة ، والتي يتم بموجبها استخدام وحدات الحوسبة الصناعية ، ويتم تصنيع الرفوف والرفوف وكتل التبديل والكابلات في تصميم خاص و توفير ظروف التشغيل المطلوبة (على سبيل المثال ، مقاومة التأثيرات المناخية والاهتزازات والصوتية وغيرها). تستخدم تقنيات COTS تقنيات الأجهزة والبرمجيات مفتوحة المصدر الجاهزة ، والتي سبق اختبارها و / أو توحيدها على نطاق واسع في سوق التطبيقات المدنية الصناعية العامة.

تاريخياً ، نشأ مفهوم COTS كمبادرة من وزارة الدفاع الأمريكية ووزارات الدفاع في العديد من الدول الغربية الأخرى الذين يرغبون في تقليل تكاليفهم عن طريق تقليل حصة الحلول والتقنيات الفريدة المكلفة. بالنسبة للمطورين الروس ، في الوقت الحالي ، في سياق الوضع الاقتصادي المشدد وفرض العقوبات التي تمنع الوصول إلى قاعدة عنصر الدفاع والاستخدام المزدوج ، فإن هذه الطريقة لتوفير المال على إنشاء معدات ذات خصائص فنية عالية ذات صلة خاصة.

لقد اخترق الاتجاه العام لأنظمة البناء القائمة على مكونات COTS القياسية صناعة الفضاء. وقد تم تسهيل ذلك من خلال الوتيرة السريعة للغاية لاستكشاف الفضاء ، وتعقيد المهام التي يتعين حلها ، ومتطلبات تقصير تطوير وتحديث الأنظمة ، وزيادة سرعتها وموثوقيتها. في الوقت الحالي ، يوجد دائمًا في الفضاء عدد كبير من الطائرات المأهولة وغير المأهولة من بلدان مختلفة. أصبحت هذه الصناعة صناعة قوية تتعلق بالبحث وإنتاج المواد الجديدة والدفاع والمهام الأخرى ذات الصلة [1].

كيف يؤثر الإشعاع على الدوائر المصغرة

في "قطع الجسيمات" يتكون الإشعاع الكوني من 90٪ من البروتونات (أي أيونات الهيدروجين) و 7٪ من نوى الهليوم (جسيمات ألفا) و ~ 1٪ ذرات أثقل و 1٪ إلكترونات. حسنًا ، النجوم (بما في ذلك الشمس) ، والأنوية المجرية ، ودرب التبانة - تضيء كل شيء بوفرة ليس فقط بالضوء المرئي ، ولكن أيضًا بالأشعة السينية وأشعة جاما. أثناء الفاشيات في الشمس - يزداد إشعاع الشمس بمقدار 1000-1000 ألف مرة ، مما قد يمثل مشكلة خطيرة (سواء بالنسبة لأفراد المستقبل أو المركبة الفضائية الحالية خارج الغلاف المغناطيسي للأرض).
هناك حزمان من الجسيمات المشحونة حول الأرض - ما يسمى أحزمة الإشعاع فان ألين: على ارتفاع ~ 4000 كم من البروتونات ، وعلى ارتفاع ~ 17000 كم من الإلكترونات. تتحرك الجسيمات هناك في مدارات مغلقة ، يلتقطها المجال المغناطيسي للأرض. يوجد أيضًا شذوذ مغناطيسي برازيلي - حيث يقترب حزام الإشعاع الداخلي من الأرض ، حتى ارتفاع 200 كم.

عندما يمر أشعة غاما والأشعة السينية (بما في ذلك الإشعاع الثانوي ، الذي يتم الحصول عليه بسبب اصطدام الإلكترونات مع جسم الجهاز) عبر الدائرة المصغرة ، تبدأ الشحنة بالتراكم تدريجيًا في بوابة عازلة الترانزستورات ، وبالتالي تبدأ معلمات الترانزستورات بالتغير ببطء - جهد عتبة الترانزستورات وتيار التسرب. قد تتوقف الدائرة الصغيرة المدنية الرقمية العادية عن العمل بشكل طبيعي بعد 5000 راد (ومع ذلك ، قد يتوقف الشخص عن العمل بعد 500-1000 راد).

في مدار منخفض من 300-500 كيلومتر (حيث يطير الناس) ، يمكن أن تكون الجرعة السنوية 100 راد أو أقل ، على التوالي ، حتى لمدة 10 سنوات ، سيتم تحمل الجرعة المجمعة بواسطة الدوائر الصغيرة المدنية. ولكن في المدارات العالية> 1000 كم ، يمكن أن تكون الجرعة السنوية 10'000-20'000 راد ، وستحصل الدوائر الصغيرة التقليدية على جرعة مميتة في غضون أشهر.

أكبر مشكلة في الإلكترونيات الفضائية هي الاصطدام بالجسيمات الثقيلة المشحونة (TZP) - البروتونات وجسيمات ألفا والأيونات عالية الطاقة. تمتلك TZCh طاقة عالية لدرجة أنها "تخترق" الدائرة الصغيرة عبر (مع جسم القمر الصناعي) وتترك "حلقة" من الشحن خلفها. في أفضل الحالات ، يمكن أن يؤدي هذا إلى خطأ في البرنامج (0 يصبح 1 أو العكس) ، في أسوأ الحالات يمكن أن يؤدي إلى قفل الثايرستور. في رقاقة مزلاج ، تقصر الطاقة على الأرض ، يمكن أن يذهب التيار كبيرًا جدًا ، ويؤدي إلى حرق الشريحة. إذا تمكنت من إيقاف الطاقة وتوصيلها قبل الاحتراق ، فسيعمل كل شيء كالمعتاد.

يمكن أن تتسبب الجسيمات المشحونة الثقيلة (TZZ) للفضاء الخارجي ، والتي تعمل على الدوائر المتكاملة (ICs) ، في تشويه بتات البيانات أو البرامج الفردية. تعتمد شدة الفشل على نوع الذاكرة المستخدمة ومعلمات المدار ونشاط الشمس.

هناك عدة طرق للتعامل مع العض:

1) مراقبة التيار المستهلك ، وتشويه الطاقة بسرعة.
2) استخدام الرقائق على ركيزة الياقوت (السيليكون على الياقوت ، SOS ، بشكل أكثر عمومية السيليكون على العازل ، SOI) - هذا يلغي تكوين الترانزستورات الطفيلية ثنائية القطب ، وبالتالي ، الانجذاب. ومع ذلك ، قد لا تزال هناك أخطاء في البرامج. رقائق السيليكون على الياقوت باهظة الثمن ، يصعب معالجتها ، ولديها استخدام محدود في القطاع المدني - وبالتالي ، فإن الإنتاج مكلف.
3) استخدم ما يسمى بعملية البئر الثلاثي - كما أنه يقلل بشكل كبير من إمكانية التقاط الدائرة الدقيقة بسبب العزل الإضافي للترانزستورات عن طريق تقاطع pn ، ولكنه لا يتطلب أي لوحات أو معدات خاصة ، وبالتالي ، فإن الإنتاج نفسه أرخص بكثير من السيليكون على الياقوت.

تاريخياً ، في الاتحاد السوفياتي وروسيا ، عملوا أكثر مع السيليكون على الياقوت ، وفي الغرب حاولوا استخدام السيليكون العادي بثلاثية قدر الإمكان (للدمج مع المنتجات التجارية وخفض التكلفة) ، لكنهم يقومون أيضًا بـ SOS / SOI حسب الحاجة.

في حالة حدوث تشوه لمحتويات الذاكرة ، أو بسبب عمل المنطق بشكل غير صحيح ، بسبب SLC في المركبة الفضائية. للتعامل مع هذا يبقى بطرق معمارية فقط ، على سبيل المثال:

- حسب منطق الأغلبية (عندما نربط 3 نسخ من كل كتلة نحتاجها على مسافة معينة من بعضها البعض - عندئذٍ "تغلب" إجابتان صحيحتان على واحدة خاطئة باستخدام المزيد من خلايا الذاكرة المقاومة للخطأ (من أصل 10 ترانزستورات ، بدلاً من 6 المعتادة)

- استخدام رموز تصحيح الخطأ في الذاكرة وذاكرة التخزين المؤقت والسجلات.

ولكن من المستحيل التخلص تمامًا من الأخطاء ، لأن SLC (أو بالأحرى مروحة كاملة من الجسيمات الثانوية) يمكن أن تحدث بالضبط على طول الشريحة ، ويمكن أن تفشل حوالي 5 ٪ من الشريحة. هنا نحتاج إلى نظام موثوق به للغاية للعديد من أجهزة الكمبيوتر المستقلة ، وبرمجتها المناسبة.

ونتيجة لذلك ، فإن استخدام الدوائر الصغيرة المدنية في الفضاء محدود بتأثير التقطيع ، وربما في أفضل الأحوال في المدارات المنخفضة. في المدارات العالية وفي الفضاء السحيق - نحتاج إلى دوائر دقيقة مقاومة للإشعاع ، لأن هناك محرومون من حماية المجال المغناطيسي للأرض ، ولن يوفرنا متر من الرصاص من الجسيمات عالية الطاقة من الإشعاع الكوني [2]. يجب تحديد مجالات تطبيق تكنولوجيا COTS بوضوح ، ويمكن أن يؤدي استخدامها غير القانوني إلى نتائج سلبية.

أمثلة على استخدام تقنيات COTS في الفضاء

إن تأكيد استخدام تقنيات COTS والبطاريات الإلكترونية الصناعية في الفضاء هو الشعبية المتزايدة للأقمار الصناعية المصنوعة وفقًا لمعيار CubeSat.

Kubsat ، CubeSat - شكل من الأقمار الصناعية الأرضية الصغيرة (الصغيرة جدًا) لاستكشاف الفضاء ، بحجم 1 لتر وكتلة لا تزيد عن 1.33 كجم أو عدة (متعددة) أكثر (الشكل 1).


التين .1 ساتل CubeSat لـ Dauria Aerospace

عادةً ما تستخدم Kubsats إطار هيكل مواصفات CubeSat والملحقات القياسية التي تم شراؤها - إلكترونيات COTS ومكونات أخرى. تم تطوير مواصفات CubeSat في عام 1999 من قبل جامعات كاليفورنيا بوليتكنيك وستانفورد لتبسيط إنشاء الأقمار الصناعية الصغيرة جدًا.

تشتمل مواصفات CubeSat على أبعاد وبنية قياسية. تنقسم جميع CubeSat إلى أبعاد وحدة واحدة (10 × 10 × 10 سم) ، 2U (10 × 10 × 20 سم) ، 3U (10 × 10 × 30 سم) وما إلى ذلك.

لا يحد معيار CubeSat من خيال المطورين والأساليب الهندسية لبناء المركبات الفضائية. لا توجد تعليمات تجميع مقبولة بشكل عام داخل kubsat ، أي المعايير العالمية التي تصف المعلومات أو الواجهات الميكانيكية أو الكهربائية. هناك توصيات مثل مطابقة أبعاد اللوحات الإلكترونية مع عامل الشكل PC / 104 ، وبعض المناهج لجهات اتصال الأسلاك ، وحافلات المعلومات وحافلات الطاقة ، ولكن يمكن لكل مطور أن يكون له تطبيق محدد [3].

يتم إنشاء سواتل CubeSat من إلكترونيات من الدرجة الصناعية ، أي واحدة مصممة للاستغلال على الأرض ، ولم تستعد للفضاء. على الرغم من هذا ، فإن قدرات الرقائق الحديثة تسمح لها بالعمل في ظروف تبدو غير مناسبة. يمكن أن تكون قصيرة العمر ، لكن تضمن تشغيل الأجهزة حتى عام ، أو حتى عدة مرات أكثر [4].

معايير COTS الأخرى

CompactPCI

تتضمن الأنظمة التي تستند إلى معيار CompactPCI بنية ميكانيكية تسمح لك بتثبيت وحدات المعالج والوحدات الطرفية في لوحة عبر الدوائر السلبية مع روابط قياسية لتبادل البيانات بين وحدات النظام. إن خصائص التركيبات والأنواع والتضاريس والترابطات المستخدمة موثقة جيدًا في المعيار المقابل الذي طوره اتحاد شركات دولية تحت رعاية PICMG (www.picmg.org) (الشكل 2).


التين .2 مبدأ إرساء الوحدات النمطية CompactPCI القياسية

تم بناء الأنظمة في بناء Euromechanics 3U (الشكل 3) ، 6U

الفوائد الرئيسية لمعيار CompactPCI:

- القدرة على بناء أنظمة حوسبة متعددة المعالجات غير متجانسة ؛
- مقاومة عالية للصدمة والاهتزاز.
- التبريد الفعال ؛
- دعم المقايضة الساخنة ؛
- دعم النسخ الاحتياطي ؛
- استخدام الشاسيه القياسي من جهات تصنيع مختلفة.


التين .3 الضميمة مع وحدات CompactPCI

من الأمثلة المهمة على موثوقية الأنظمة التي يتم إجراؤها وفقًا لمعيار CompactPCI نظام التحكم في الفرصة ، والذي يتم التحكم فيه بواسطة جهازي كمبيوتر بناءً على معيار CompactPCI [5].

هبطت المركبة الفرصة على الكوكب الأحمر في 24 يناير 2004 ولا تزال تعمل.

جوهر نظام التحكم هو كمبيوتر أحادي اللوحة RAD6000 (الشركة المصنعة BAE Systems) ، مصنوع بتنسيق CompactPCI 6U الإصدار 2.0.

RAD6000 هو جهاز كمبيوتر واحد مقاوم للإشعاع يعتمد على معالج RISC ، الصادر عن شركة IBM. أصبح هذا القسم فيما بعد جزءًا من شركة BAE Systems.
يتميز الكمبيوتر بسرعة قصوى تبلغ 33 ميجاهرتز وسرعة حوالي 35 MIPS.
تحتوي اللوحة على 128 ميغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي مع ECC. عادة ما يتم تشغيل VxWorks RTOS على هذا الكمبيوتر. يمكن ضبط تردد المعالج على 2.5 أو 5 أو 10 أو 20 ميجاهرتز.

PC / 104

تم اعتماد عامل الشكل PC / 104 في عام 1992 استجابةً للمطالب بتقليص الأبعاد الكلية واستهلاك الطاقة لأنظمة الكمبيوتر. تم تحقيق كل من هذه الأهداف دون المساس بتوافق الأجهزة والبرامج مع معايير الكمبيوتر الشائعة. توفر مواصفات PC104 توافقًا هندسيًا كاملاً مع الأجهزة والبرامج مع معايير الكمبيوتر بأحجام اللوحة الصغيرة التي يبلغ حجمها 3.6 بوصة × 3.8 بوصة (91.44 مم × 96.52 مم). تم الحصول على اسم المعيار بسبب استخدام حافلة ISA 104 دبوس تقع في الجزء السفلي من اللوحة (الشكل 4).


التين .4 مجموعة من وحدات تنسيق PC / 104

تصف معايير PC / 104 المبدأ المعياري لبناء أنظمة مدمجة مدمجة على شكل عمود من الألواح المتصلة ببعضها البعض. أثبتت معايير عائلة PC / 104 أنها من بين مطوري أنظمة الكمبيوتر المدمجة على متن الطائرة. يختار العديد من المهندسين جهاز الكمبيوتر / 104 بسبب المزايا التي تعطي الوزن الخفيف وأبعاد هذه الأجهزة ، والموثوقية الميكانيكية لكل من الموصلات والهيكل بأكمله ككل.

تصف مجموعة مقاييس PC / 104 تبادل البيانات بين الوحدات النمطية في الحافلات المتوازية ISA 16-bit و PCI-32-bit واستخدام وصلات PCI-Express التسلسلية و USB 2.0 و SATA وتتكون من 5 مواصفات. بالإضافة إلى الحجم الصغير للغاية 90 × 96 مم ، فإن عوامل الشكل EPIC و EBX هي أيضًا جزء من العائلة القياسية.

أحد الأمثلة على التطبيق هو استخدام وحدات تنسيق PC / 104 لبناء معدات لتجربة الفضاء "Terminator". في إطار التجربة الفضائية ، لوحظ طيف التكوينات الطبقية في نطاقات الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة عند ارتفاع الغلاف الجوي العلوي - الغلاف الحراري السفلي في محيط نهاية الطاقة الشمسية "(الشكل 5).


التين. 5 - على "المنهي".

جوهر كتلة الإلكترونيات هو تنسيق لوحة المعالج CPC1600 (الشركة المصنعة Fastwel)

MicroPC

MicroPC هو عامل شكل لأجهزة الكمبيوتر الصناعية المتوافقة مع IBM PC (x86) للبيئات القاسية.

لوحة MicroPC مقاس 124 × 112 مم. بفضل مفهوم التطوير الأصلي ، تعتبر منتجات MicroPC من أكثر المنتجات مقاومة للعوامل الخارجية القاسية في سوق الكمبيوتر المدمجة. تتيح لك وحدات MicroPC إنشاء أنظمة مضمنة وأنظمة أتمتة منخفضة التكلفة وموثوقة بسرعة من "الطوب" الجاهز (الشكل 6).


صورة 6 هيكل مع وحدات تنسيق MicroPC

ميزة التصميم:

• اللوحة الأم السلبية (اللوحة الخلفية أو الكابل) ؛
• بطاقات توسيع جبل 4 نقطة.
• قد يكون هناك منافذ إدخال / إخراج إضافية منفصلة ومنفصلة أو وجود ملحق PC / 104 على وحدات المعالج ؛
• توقيت المراقبة.
• درجة حرارة ممتدة: من -40 إلى +85 درجة مئوية ؛
• انخفاض استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.

من الأمثلة اللافتة على استخدام وحدات تنسيق MicroRS في الفضاء وحدة تحكم رائد الفضاء NEPTUN-ME في المركبة الفضائية المأهولة SOYUZ TMA-M.

في الوقت الحالي ، يتم تسليم أطقم إلى مدار الأرض باستخدام سلسلة المركبات الفضائية المأهولة Soyuz TMA-M ، والتي تعدل من المركبة الفضائية Soyuz TMA. تم تجهيز السفن بجيل جديد من وحدات تحكم رواد الفضاء - Neptune-ME (الشكل 7) ، التي طورتها NIIAO. جهاز التحكم عن بعد عبارة عن نظام حوسبي ثلاثي المعالجات يتضمن قناتين لعرض المعلومات استنادًا إلى مؤشرات بلورية سائلة مصفوفة ، ووسائل التبادل مع الأنظمة الموجودة على متن السفينة ، وعناصر التحكم اليدوي للمجمع على متن الطائرة.


التين .7 التحكم عن بعد المركبة الفضائية Neptune-ME Soyuz TMA.

تم تصميم وحدة التحكم لرواد الفضاء Neptune-ME من أجل المراقبة والتحكم التشغيلي لأفراد الطاقم من خلال أنظمة المركبات الفضائية على متنها.

تم تطوير الوسائل الفنية واختيارها مع مراعاة متطلبات التشغيل في ظروف انعدام الوزن وإزالة الضغط للسيارة المنحدرة ، أي مع مراعاة عمل رواد الفضاء في بدلة فضائية.

تم بناء جزء الحوسبة باستخدام وحدات MicroPC. [6].

الخلاصة

يسمح لك استخدام COTS بتطوير منتج بسرعة في بيئة تنافسية للغاية. كما أظهرت الأمثلة ، يتم استخدام COTS ليس فقط في شركات التنمية الغربية ، ولكن أيضًا في الاتحاد الروسي.

تتيح لك COTS إنشاء أنظمة حوسبة تنافسية. هذه التكنولوجيا هي ضمان النجاح على المدى الطويل ، وضمان تطبيق أحدث اتجاهات الأعمال العالمية والإنجازات الهندسية في مجال تقنيات الكمبيوتر الحديثة المدمجة.

الأدب

1. SpaceVPX - موثوقية مساحة العمود الفقري - الأنظمة المعيارية ، MCA: VKS №2 / 2016
2. الالكترونيات الدقيقة للفضاء والعسكري. مورد إلكتروني
3. الحذر ، cubsats! مورد إلكتروني
4. عندما أصبحت المكعبات كبيرة. مورد إلكتروني
5. CompactPCI - معيار بناء الحوسبة الفضائية. CTA رقم 1/2017. صفحة 30-31.
6. SOI متكامل من المركبة الفضائية Soyuz-TMA ولوحة التحكم اليدوية للجزء الروسي ألفا ISS. مورد إلكتروني .