Алгоритмические методы повышения стойкости элементов бортовой аппаратуры

Одним из традиционных методов повышения надежности бортовой аппаратуры является применение схем резервирования (мажоритарное резервирование, в том числе с использованием «холодного резерва»). Мажоритарное резервирование позволяет повысить уровень стойкости бортовой аппаратуры на величину поглощенной дозы, равную максимальному разбросу уровней стойкости наименее стойких изделий электронной техники, примененных в бортовой аппаратуре. Если для повышения стойкости бортовой аппаратуры уже использовалась процедура разбраковки изделий электронной техники по критерию радиационной стойкости, то мажоритарное резервирование с использованием только горячего резерва будет малоэффективно. Уровень стойкости изделий электронной техники в значительной степени зависит от электрического режима их работы. При этом стойкость образцов изделий электронной техники, облученных под электрической нагрузкой. Поэтому для целей повышения стойкости бортовой аппаратуры более эффективным является применение так называемого холодного резерва с принулительным переключением с каналов «горячего» резерва на каналы «холодного» резерва и наоборот.

§4 Конструкционные методы защиты

Достигнутые уровни стойкости к воздействию ионизирующего излучения космического пространства (ИИ КП) по дозовым эффектам для современных изделий электронной техники (ИЭТ) не в полной мере обеспечивают устанавливаемые требования к бортовой аппаратуре космического аппарата. Поэтому применяются различные методы защиты ИЭТ от воздействия ИИ КП.

Конструкционные методы защиты основаны на использовании защитных свойств конструкционных материалов для ослабления потоков заряженных частиц космического пространства. Они предполагают рациональное использование экранирующей способности элементов конструкции космических аппаратов и бортовой аппаратуры, а также применение специальных защитных экранов.

Для наиболее уязвимых элементов применяют локальные защитные экраны. Введение локальной защиты позволяет увеличить стойкость узлов, блоков, включающих критичные ИЭТ. Локальное экранирование не влечет за собой серьезного увеличения массы аппаратуры или габаритов приборов. Для локального экранирования используются материалы с высоким коэффициентом ослабления ионизирующих излучений. Для интегральных схем, например, локальный экран состоит из крышки, прикрепленной к основанию. Крышка и основание могут быть изготовлены из материала с высокими поглощающими свойствами.

Однако, с галактическими космическими лучами могут прилетать частицы с энергией 3ˣ10²⁰ эВ. В понятийных единицах это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частицы энергия как у пули мелкокалиберного пистолета. Если такая частица столкнется с атомом свинца радиационной защиты она просто разрывает атом в клочья. Осколки также будут иметь огромную энергию и тоже будут разрывать атомы на своем пути. В итоге, чем толще защита из тяжелых элементов, тем больше вторичная радиация. Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции. Из-за этого в космическом пространстве большей частью используют состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтилена и пр.), т.к. его можно разбить только на субатомные частицы – а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.

В любом случае полной защиты от тяжелых заряженных частиц нет, поэтому используют комбинацию различных защитных экранов, и защиту на разных уровнях. Например, сначала термовакуумные панели с защитой 0.5 г∙см^-2, затем блоки аппаратуры, эквивалентные толщины которых 0.8-2 г∙см^-2, учет взаимного экранирования блоков бортовой аппаратуры и элементов конструкции космического аппарата эквивалентные толщины достигают 2-7 г∙см^-2.

Расчет локальных дозовых нагрузок на элементы бортовой аппаратуры проводится на основании трехмерной геометрической модели космического аппарата, представленной в виде простых геометрических тел (шар, цилиндр, параллелепипед, оболочка и т.д.) с заданными массогабаритными характеристиками.

Для локальной защиты ИЭТ от ИИ КП применяют технологии вторичного корпусирования, которые имеют следующие основные преимущества:

- позволяют использовать электронные компоненты коммерческого и индустриального классов для космических проектов с одновременным расширением номенклатуры потенциально применяемых ИЭТ и снижением затрат на комплектацию космического аппарата;

- обеспечивают снижение веса по сравнению со стандартной радиационной защитой за счет корпуса прибора;

- позволяют оптимизировать условия работы ИЭТ с точки зрения электромагнитной совместимости, отвода тепла, электростатики и т.д.