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© linear technology Application Notes | 04 November 2016

Die Kommerzialisierung des Weltraums

Es gibt einen Wettlauf ein kommerzielles Breitband im Weltraum aufzubauen, das von überall auf der Welt aus einen einfachen und preiswerten Internet-Zugang ermöglicht. Die von One Web geplante LEO-Konstellation (low earth orbit) von 648+ Satelliten erhält potenziellen Wettbewerb von SpaceX, Google und Facebook.
In der Zwischenzeit wird auch die MEO-Konstellation (medium earth orbit) von O3B Networks ausgebaut. Weitere Entwicklungen wie die Konstellation von LeoSat mit 78+ Satelliten strebt danach, ein Punkt-zu-Punkt-Datennetzwerk zu errichten, das Regierungen und die Industrie überall auf der Welt mit kommerziell verfügbaren Datenverbindungen versorgt. Milliarden Dollar werden von der Industrie investiert und alles ändert sich rapide. Neue kommerzielle Unternehmen sind plötzlich Wettbewerber zu etablierten Unternehmen der Raumfahrtindustrie oder arbeiten mit ihnen zusammen. Fügt man zu diesen Lehr- und Experimentier-CubeSat-Satelliten Forschungs- und Erdbeobachtunssatelliten hinzu, wie Googles Terra Bella ergibt dies ein Gefühl dafür, dass die Industrie vor neuen Innovationen und Möglichkeiten brummt und das traditionale Weltraumgeschäft von Regierungen und Raumagenturen überlagert.

Aus Sicht der Ausrüstung sind die wichtigsten Treiber für ein kommerzielles Raumgeschäft die Kosten der Satelliten und Trägerraketen zu reduzieren, was erreicht werden kann, indem man die Satelliten kleiner und leichter macht und gleichzeitig ihre Leistungsfähigkeit steigert. Dies impliziert eine höhere Integrationsdichte auf PC-Baugruppenebene durch Verwendung hoch entwickelter modernster ICs und eher kommerzieller als speziell für den Weltraumeinsatz entwickelter Komponenten. Während dies sehr fortschrittlich klingt, kommt das Hauptrisiko von eingestellten flugerprobten strahlungsresistenten ICs, die über Jahrzehnte das Rückgrad der Weltraumelektronik gebildet haben. Die Verwendung kommerzieller Komponenten, die nicht für den Einsatz im Weltraum ausgelegt sind, ist eine große Herausforderung für die Entwickler von Satelliten. Darüber hinaus steht die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Equipment an erster Stelle, wenn es den Auswirkungen der Strahlung und beim Betrieb in einer feindlichen Umgebung ausgesetzt ist. Fehler können ernsthafte Folgen haben, von der Einschränkung der Leistungsfähigkeit bis hin zu erzwungenen vorzeitigen Verlassen des Orbits und damit Ersatz des Satelliten oder schlimmstenfalls den Verlust der Kontrolle mit dem potenziellen Risiko der Zerstörung anderer Satelliten und erzeugen von Weltraumschrott.

Es gibt eine klare Kalkulation für die großen Konstellationen. Ist es preiswerter kommerzielle Standardprodukte einzusetzen und zu akzeptieren, dass man Satelliten austauschen muss, oder eine alternative Methode zu entwickeln, um Produkte mit einem Testverfahren auszuwählen, um ihre Eignung für Raumfahrtapplikationen herauszufinden. Das Up-Screening von Komponenten ist in der Realität nicht einfach und wird am Besten vermieden, außer wenn es keine anderen Alternativen gibt. Glücklicherweise bieten jüngste Entwicklungen aus der Halbleiterindustrie solche Alternativen. Linear Technology nutzt sein Know-how und seine Erfahrungen mit Weltraum geeigneten Produkten um neue Produkt-Güteklassen zu unterstützen, die speziell darauf abzielen, moderne Hochleistungs-ICs für die Raumfahrt nutzbar zu machen.

Ein Hindernis bei der Verwendung von kommerziell ausgelegten ICs ist die Gehäusetechnik. Traditionell hat die Raumfahrtindustrie den Einsatz von nicht hermetisch dichten Plastikgehäusen vermieden, wegen Bedenken des Ausgasens und weiterer mit dem Gehäuse zusammenhängender Probleme. Viele neue Produkte haben nun Gehäuse, die speziell dafür entworfen wurden, die Leistungsfähigkeit des ICs zu steigern und das nicht einfach (oder unökonomisch) durch ein Keramik- oder Metallgehäuse ersetzt werden kann. Deshalb hat sich das Augenmerk darauf gerichtet, wie solche Produkte qualifiziert und mit Tests geprüft werden können, die das Vertrauen für die Zuverlässigkeit im Weltraum sicherstellen. Die AEC-Q100-Qualifikation wird häufig von OEMs als Anforderung angeführt, aber dies bezieht sich auf die ursprüngliche Produktqualifikation und nicht auf das Produktions-Screening und belegt damit nicht die Eignung eines Produkts für den Betrieb im Weltraum.

Kehrt man zu Thema Strahlungsfestigkeit zurück, da viele Weltraum geeignete Produkte mit einer Kombination aus Prozessänderungen und Designtechniken strahlungsfest gemacht werden, zeigen kommerzielle Produkte unterschiedliche Reaktionen, die sich von einer Wafercharge zur nächsten ändern können. Deshalb sollte jede Produktart und jede Fertigungscharge mit Strahlungstests charakterisiert werden Dabei gibt es aber potenzielle Probleme, da selbst ein einziger Datencode eines Produkts Silizium von unterschiedlichen Wafern oder Waferchargen enthalten kann. Es ist normalerweise nicht möglich, ein Produkt mit kommerziellem Güteklasse aus einem bestimmten Datencode oder einer Wafercharge zu beziehen und man hat üblicherweise auch keine Nachweisbarkeit auf Waferebene, außer, wenn man Weltraum-geeigneten Produkte einkauft.

Darüber hinaus investieren die Hersteller Millionen Dollar in elektrische Test-Hardware und Fachkompetenz, was beim Satelliten-OEM oder im Strahlungstestlabor nicht praktikabel nachzubilden wäre. Deshalb ist eine Methode, die der OEM durchführen kann, zu Test-Produkte auf der PC-Baugruppe oder auf der Sub-Assembly-Ebene mit den Kriterien der Anwendung zu bestrahlen und die Abnahme der Leistungsfähigkeit zu messen. Der Nachteil bei dieser „Black-Box“-Methode ist, dass parametrische Veränderungen auf Systemebene schwierig auf das Verhalten auf Komponentenebene und eine Ursache zurückzuführen sind. Ohne die Unterstützung des Herstellers zur Rückverfolgbarkeit auf die Charge, Prozessdaten und tiefes Produkt-Know-how, ist es schwer zu bestimmen ob Reaktionen auf Strahlungseffekte repräsentativ und akkurat sind. Die Zeit, die man benötigt Problemkomponenten zu identifizieren, die Schaltung neu zu entwickeln und die Strahlungstests zu wiederholen, können ernsthafte Zeitverzögerungen für das Programm beim Wettlauf in den Weltraum haben.

Aus diesem Grunde hat Linear Technology neue Produkt-Güteklassen entwickelt, um die Anforderungen der kommerziellen Weltraum-Applikationen zu erfüllen. Für anspruchsvollere Mission-Profile wird ein Chargen-basierendes Screening und eine Qualifizierung ähnlich der bei ICs in Weltraum-Güteklasse benutzt.

Zwei Beispiele für Produkte, die die Entwicklung kleinerer, leichterer Satelliten ermöglichen, sind der 20-Bit-A/D-Wandler (ADC) LTC2378 (Bild 1) und der Batteriestapel-Überwachungsbaustein LTC6804 (Bild 2). Beide Produkte bieten signifikante Leistungs- und Integrationsverbesserungen, wenn man sie mit bestehenden Weltraum-geeigneten Lösungen vergleicht, bei denen komplexe Funktionen oft mit Operationsverstärkern, Komparatoren, Logik und Transistoren aufgebaut sind. Diese bewährte und getestete Methode erlaubt ein sehr hohes Vertrauensniveau das bezüglich Fehler-Modi und Strahlungsfestigkeit aufgebaut werden kann, jedoch nicht mit einer modernen integrierten Schaltung bezüglich Ausmaßen, Gewicht und Leistungsverbrauch mithalten kann. Der LTC2378-20 ist z.B. ein SAR-A/D-Wandler mit geringem Stromverbrauch, der einen hervorragenden Signal-Rauschabstand von 104 dB mit einer Klassenbesten integralen Nichtlinearität von 0,5 ppm kombiniert, was es erlaubt, empfindlichere Sensorelektronik mit hohem Dynamikbereich, schnellerer Abtastung und geringerem Leistungsbedarf zu entwickeln. Im Falle des LTC6804 kann dieser eine ganze PC-Baugruppe mit Komponenten ersetzen, wobei jedes IC zwölf in Reihe geschaltete Batteriezellen mit einem Fehler von 0,04% messen kann. Eine Zellenausgleichsfunktion optimiert die Leistung des Batteriestapels und stellt sicher, dass alle Zellen sicher auf ihre maximale Kapazität geladen werden und kann, zusätzlich zu potenziellen Einsparungen bei den Ausmaßen und dem Gewicht, verbesserte Design-Margen und längere Serviceintervalle bieten.
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Autor: Steve Munns, Mil-Aero Marketing, © Linear Technology Corporation

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