CC BY
37
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ИХ СИСТЕМ
Захаров, И. В
кандидат технических наук, доцент кафедры информационно-вычислительных систем и сетей Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского, e-mail: x.vano-z80@yandex.ru Zakharov, I. V
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
«МОЖАЕЦ»
Аннотация. Кратко описаны эксперименты в космосе по оценке работоспособности микросхем. Эксперименты проводятся на борту космических аппаратов «Можаец» с использованием комплексов научной аппаратуры «Призма-1» и «Призма-2».
EXPERIMENTS FOR ELECTRONIC COMPONENT EQUIPMENT FUNCTION RESEARCHING AT SPACECRAFT "MOZHAYETS"
SUMMARY. In this article experiments at natural space for researching chips operating are described briefly. This experiments are performing onboard "Mozhayets" spacecraft by science equipment "Prizma-1" and "Prizma-2".
Ключевые слова: космический эксперимент, устойчивость компонентной базы.
Keywords: space experiment, electronic equipment stability.
В течение последних лет ВКА имени А. Ф. Можайского активно участвует в экспериментальных исследованиях по увеличению технического ресурса бортовых систем космических аппаратов (КА) на базе учебно-исследовательских малых КА «Можаец-3» (запуск состоялся 28 ноября 2002 года) и «Можаец-4» (запуск состоялся 27 сентября 2003 года).
Поскольку промоделировать в наземных условиях влияние внешних факторов на аппаратуру КА с достаточной точностью не представляется возможным в силу высокой сложности этого процесса, для получения информации о радиационной стойкости и надежности изделий электронной техники в реальных условиях эксплуатации во внутреннем радиационном поясе Земли целесообразно проведение натурных экспериментов. Проводимые экспериментальные исследования предполагают дальнейшую разработку предложений, направленных на решение задачи увеличения длительности активного функционирования отечественных КА до десяти лет и более. При этом рассматривается возможность обеспечения исправного функционирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры в условиях разгерметизации или за пределами приборного отсека КА.
Комплекс научной аппаратуры «Призма-1» [1] обеспечивает испытания трех генераторов тактовых импульсов. Каждый из них расположен в отдельном блоке с различной толщиной корпуса, соответственно, 1, 2, и 3 мм. Блоки размещены на внешней поверхности КА между панелями солнечных батарей.
В настоящее время по каналам телеметрии получено и обработано свыше 150 тыс. значений оцениваемых параметров комплекса «Призма-1». Определяющим телеметрическим параметром комплекса является амплитуда выходного напряжения каждого из трех испытываемых генераторов, равная разности математических ожиданий значений верхних и нижних уровней прямоугольных импульсов выходного напряжения генератора на интервале включения. По результатам накопленных данных прослеживаются тенденции изменения контролируемых параметров, и осуществляется прогнозирование их значений на определенный временной интервал. Основными исходными данными для прогнозирования на основании математического анализа статистических данных о работе бортовой аппаратуры являются вектор моментов измерений (включения аппаратуры) и вектор значений определяющего телеметрического параметра (амплитуды) на этих интервалах времени. В качестве математического аппарата использовались известные методы аппроксимации для отыскания зависимостей изменения значений определяющих телеметрических параметров. Получены уравнения, аппроксимирующие процесс деградации амплитуды выходного напряжения генераторов каждого из трех блоков в зависимости от времени функционирования. Результаты прогноза подтверждаются работой комплекса «Призма-1» в течение орбитального полета КА [1].
Комплекс научной аппаратуры «Призма-2» на борту КА «Можаец-4» предназначен для испытания микросхем оперативной памяти [2]. Комплекс содержит размещаемые на внешней поверхности КА, аналогично комплексу «Призма-1», четыре блока с четырьмя микросхемами оперативной памяти 537РУ16, датчики температуры и накопленной дозы ионизирующего излучения, расположенные совместно с испытываемой микросхемой памяти в одном из блоков. Блоки имеют толщину корпуса 1, 2 (два блока) и 3 мм. В приборном отсеке КА расположен блок согласования с бортовым комплексом управления, обеспечивающий тестирование микросхем и передачу контролируемых параметров в
систему телеметрии. При проведении экспериментальных исследований микропроцессорный блок записывает в ячейки памяти испытываемых микросхем тестовые коды, после чего считывает содержимое ячеек и сравнивает с эталонными значениями. Через систему телеметрии на Землю передается информация о работоспособности комплекса «Призма-2» перед каждым включением (слово состояния процессора блока согласования) и количестве отказов испытываемых микросхем за период включения, а также напряжении на выходе вторичного источника питания аппаратуры, накопленной дозе ионизирующего излучения и температуре в блоках с испытываемыми микросхемами. Посредством анализа переданных значений определяется работоспособность испытываемых приборов в зависимости от уровня внешних воздействий, оцениваемых по информации от датчиков дозы и температуры. Частота измерения параметров испытываемых приборов определяется этапом их эксплуатации (динамикой изменения параметров).
За время полета КА «Можаец-4» испытываемые блоки проработали в активном режиме более 400 часов, получены и проанализированы более 50 тыс. значений оцениваемых параметров [3]. Для анализа использованы среднестатистические значения параметров за каждый отдельный временной интервал (время непрерывной работы комплекса с момента подачи команды на включение до момента подачи команды на отключение). Определяющими параметрами комплекса «Призма-2» являются среднее число работоспособных байтов (ячеек памяти), определяемое в процентах от их общего числа за интервал измерения, а также значения выходного напряжения дозиметра. Для аппроксимации зависимости доли исправных ячеек от времени пребывания КА на орбите использован многочлен второго порядка. Коэффициент корреляции между параметрами работы различных блоков равен 0,96, что свидетельствует о воздействии на устойчивость функционирования испытываемых изделий внешних факторов [2, 3].
Отмечается устойчивое функционирование комплекса научной аппаратуры «Призма-2». Микросхемы во втором и четвертом блоках работали стабильно, в то время как цепи обращения к испытываемым микросхемам первого и третьего блоков работали неустойчиво. Полученные значения оцениваемых параметров не являются аномальными и были прогнозируемы, так как известно, что при воздействии факторов космического пространства большие и сверхбольшие интегральные микросхемы работают со сбоями.
В целом, испытания элементной базы радиоэлектронной аппаратуры с использованием КА «Можаец-3», «Можаец-4» и экспериментальных комплексов «Призма-1», «Призма-2» показали возможность длительной работы типовых электронных компонентов на борту КА в негерметизированных блоках. Микросхемы с невысокой степенью интеграции функционировали с единичными сбоями. Большие (сверхбольшие) интегральные микросхемы работали со сбоями в течение каждого интервала включения. Обеспечение надежности устройств на их основе возможно посредством реализации методов резервирования [4]. Полученные результаты были использованы при конструировании бортовой
вычислительной системы перспективного КА дистанционного зондирования Земли [5].
Вновь планируемые экспериментальные исследования предполагают использование накопленного научно-технического задела в области создания радиоэлектронной аппаратуры в сочетании с использованием последних технологических достижений в области электронной компонентной базы, а их новизна определяется испытаниями новой элементной базы в новых условиях использования. Техническая возможность создания экспериментального оборудования подтверждается опытом ВКА имени А. Ф. Можайского при разработке комплексов типа «Призма», установленных на КА серии «Можаец».
ЛИТЕРАТУРА
1. Захаров, И. В., Иваненко, А. Ю., Кремез, Г. В. [и др.] Повышение функциональной устойчивости бортовых вычислительных систем малых космических аппаратов [Текст] / И. В. Захаров, А. Ю. Иваненко, Г. В. Кремез, Е. В. Фролков, А. В. Шпак // Изв. вузов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50. - № 6. - С. 65-67.
2. Кремез Г. В., Захаров И. В. Натурный эксперимент по исследованию устойчивости функционирования электронной компонентной базы на космическом аппарате «Можаец-4» [Текст] // Труды ВКА им. А. Ф. Можайского / под ред. Пенькова М. М. - СПб. : ВКА им. А. Ф. Можайского, 2013. - Вып. 640. - С. 108-111.
3. Захаров, И. В., Кремез, Г. В. Построение бортовых вычислительных систем с учетом результатов испытаний элементной базы в условиях космического пространства [Текст] // Научное обозрение. -Саратов : ООО «Буква», 2014. - Вып. 2. - С. 176-179; ЫРЬ: http://www.sced.rU/ru/files/7 2 2014/7 2 2014.pdf. - Дата обращения : 10.04.2014.
4. Лысенко А. В., Захаров И. В., Кремез Г. В. Выбор структуры бортовой вычислительной системы с учетом результатов натурных экспериментов [Текст] // Труды ВКА им. А. Ф. Можайского / под ред. Пенькова М. М. - СПб. : ВКА, 2011. - Вып. 633. - С. 87-91.
5. Захаров, И. В., Кремез, Г. В., Фатеев, В. Ф. [и др.] Многопроцессорная перестраиваемая бортовая вычислительная система малого космического аппарата [Текст] / И. В. Захаров, Г. В. Кремез, В. Ф. Фатеев, А. С. Швецов, А. В. Шпак // Изв. вузов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50. - № 6. - С. 49-52.
