Проектирование сложнофункциональных узлов унифицированных модулей приборов бортового комплекса управления космических аппаратов с применением полузаказных интегральных микросхем на основе базовых матричных кристаллов

Долганов Е.С.; Казайкин Д.С.; Полещук В.В.; Радченко В.Б.; Рогатко И.В.; Фатеев С.В.

3) псевдоконденсаторы - ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную емкость [1].

Как и у любого устройства, у ионисторов есть свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ можно выделить большие максимальные токи разрядки и зарядки, простоту зарядного устройства, длительный срок службы, малый вес и габариты, а также низкую токсичность используемых материалов.

Недостатки также имеют существенную роль. К ним относятся низкая удельная энергия по сравнению с аккумуляторами (5-12 Вт ч/кг при 200 Вт ч/кг для литий-ионных аккумуляторов) и возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании [2].

Ионисторы нашли широкое применение в современной жизни. Например, автобусы на ионисторах от Hyundai Motor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причём длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную альтернативу троллейбусу (нет необходимости прокладывать контактную сеть) или дизельному (и даже водородному) автобусу (электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива) [1].

Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности такой троллейбус может:

- проходить отдельные короткие участки маршрута, не оборудованные контактной сетью (в том числе при необходимости двигаться в объезд, когда на каком-то участке маршрута движение по штатной трассе маршрута невозможно);

- проходить места обрыва линии контактной сети;

- возможность объезжать препятствия даже тогда, когда длина токоприёмных штанг не позволяет это сделать (водитель оборудованного ионисторами троллейбуса в этом случае просто опустит токопри-ёмные штанги и объедет препятствие, после чего вновь поднимет токоприёмные штанги и продолжит движение в штатном режиме);

- отпадает надобность в развитии контактной сети в депо и на разворотных кольцах на конечных остановках - в депо и на разворотных кольцах оборудованные ионисторами троллейбусы маневрируют с опущенными токоприёмными штангами.[1]

Таким образом троллейбусная система, эксплуатируя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной.

Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе иони-стора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объемный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд [2].

Для исследования ионистора предполагается использовать стеклянный многоразовый шприц. Для отработки методики исследования в качестве электродного материала будет применяться мелкодисперсный активированный уголь.

References

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/.

2. http://go-radio.ru/ionistor.html.

УДК 536.58

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЛОЖНОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ УНИФИЦИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ ПРИБОРОВ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛУЗАКАЗНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ НА ОСНОВЕ БАЗОВЫХ МАТРИЧНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Е. С. Долганов1 , Д. С. Казайкин1, В. В. Полещук1, В. Б. Радченко2, И. В. Рогатко2, С. В. Фатеев2

1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 *E-mail: Dolganov@iss-reshetnev.ru

2Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, просп. К. Маркса, 20. E-mail: vradchenk@mail.ru

Рассмотрено применение полузаказных интегральных микросхем (ИС) на основе базовых матричных кристаллов (БМК), как альтернативный вариант замещения импортных программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в унифицированных модулях приборов бортового комплекса управления (БКУ) космических

Решетнеескцие чтения. 2015

аппаратов (КА). В качестве примера, представлены результаты сравнительного анализа проектирования сложно-функционального узла (СФ-узла) приема команд и контроля неисправности (ПК и КН) с применением ПЛИС и полузаказной ИС на основе БМК. Отмечено, что применение полузаказных ИС на основе БМК способствует продвижению к использованию аналого-цифровых (АЦ) БМК.

Ключевые слова: космический аппарат, бортовой комплекс управления, СФ-узел, базовый матричный кристалл, полузаказная интегральная микросхема

DESIGNING HARD-FUNCTIONAL UNITS OF UNIFIED MODULES OF SPACECRAFT ONBOARD CONTROL SYSTEM USING SEMICUSTOM IC-BASED GATE ARRAY

E. S. Dolganov1*, D. S. Kazaikin1, V. V. Poleshchuk1, V. B. Radchenko2, I. V. Rogatko2, S. V. Fateev2

1JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation *E-mail: Dolganov@iss-reshetnev.ru 2Novosibirsk State Technical University 20, K. Marksa Av., Novosibirsk, 630073, Russian Federation. E-mail: vradchenk@mail.ru

The application of semicustom IC-based gate array instead of FPGA into unified modules of spacecraft onboard control system is considered. For example, the comparative analysis results of hard-functional units designing, using FPGA and semicustom IC-based gate array is shown. It is noted that the use of semicustom IC-based gate array promotes the use of IC-based analog-to-digital gate array.

Keywords: spacecraft, onboard control system, HF-unit, gate array, semicustom integrated circuit.

На современном этапе развития космического приборостроения для снижения массы, габаритных размеров и расширения функциональных возможностей предлагается применять однокристальные вычислители. В связи с этим специалистами АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» ведется ряд проектов, одним из которых является разработка модуля управления обогревателями полезной нагрузки, входящего в состав прибора БУН перспективных КА, с применением микроконтроллера 1874ВЕ7Т производства ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж) взамен импортной программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) [1].

В продолжение этой тематики был рассмотрен альтернативный вариант по замещению импортных ПЛИС - применение полузаказных ИС на основе БМК серии 5522БЦ4 производства ОАО «Ангстрем» (г. Москва, Зеленоград). Проведена СЧ ОКР, в результате которой разработаны несколько типов опытных ИС. Каждый тип ИС содержит БМК внутри которого, в зависимости от назначения ИМС, реализован определенный СФ-узел.

В связи с тем, что приборы БКУ разрабатываются по магистрально-модульному принципу [2] и каждый ИМС является унифицированным [3], такой подход к обеспечению импортонезависимости позволяет полностью отказаться от использования зарубежных ПЛИС. Однако, имеется ряд недостатков, большинство из которых проявляется в специфике проектирования СФ-узлов.

Цель работы - дать сравнительный анализ результатов проектирования СФ-узлов, реализованных с применением импортных ПЛИС и новых полузаказных ИС.

Для достижения поставленной цели рассмотрим СФ-узел ПК и КН центрального приборного модуля (ЦПМ), реализованный в полузаказной ИС, водящей в состав интерфейсного модуля сопряжения устройств согласования. Функциональная схема узла представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема СФ-узла ПК и КН

СФ-узел ПК и КН включает в себя следующие функции: обмен информацией с внешними устройст-

вами по двунаправленной шине данных (ШД); приём импульсных и длительных команд; формирование выходных сигналов функций памяти и сигнала неисправности ЦПМ.

В ранее разрабатываемых ИМС УС для проектирования СФ-узла ПК и КН применялась ПЛИС ЯТ8Х328и производства фирмы ЛСе1, простота использования которой, в купе с бесплатным высококачественным программным обеспечением, позволяли с небольшими временными затратами решать поставленные задачи. При этом резервированный проект ПК и КН занимал около 30 % емкости ПЛИС, оставляя значимый резерв для введения дополнительных функций, совершенствования, повышения надежности и т. д. Подобная ситуация наблюдалась почти для всех разрабатываемых с применением таких ПЛИС СФ-узлов.

Во вновь разрабатываемых ИМС УС для проектирования СФ-узла ПК и КН впервые применяется полузаказная ИС 5522БЦ4АТ-017 на основе БМК производства ОАО «Ангстрем». В сравнении с ПЛИС, проектирование СФ-узла имеет свою специфику, заключающуюся в наличии ряда операций, требующих постоянного вмешательства разработчика в проект, а именно: самостоятельное резервирование внутренних элементов, контроль и корректировка нагрузок на внутренние элементы, построение «клокового древа» и т. д. Следовательно, возрастают сложность работы над проектом и вероятность возникновения ошибок, ценой исправления которых в худшем случае является изготовление новой партии ИС, что, в свою очередь, приводит к значительным временным и финансовым затратам. К тому же, наличие готового проекта СФ-узла - лишь начало длинного пути по созданию полузаказной ИС, порядок разработки которой устанавливается по ГОСТ 27394-87 [4] с привлечением стороннего предприятия-изготовителя ИС.

Таким образом, проектирование СФ-узлов с применением полузаказных ИС на основе БМК более трудоемкий и комплексный процесс, требующий от разработчика соответствующей квалификации. Тем не менее, применение таких ИС в высокой степени актуально, так как обеспечивает импортонезависимость в данной области и способствует продвижению к использованию еще более сложных ИС, в основе которых лежат АЦ БМК.

Библиографические ссылки

1. Ощепкова Д. Г., Долганов Е. С., Горностаев А. И. Проектирование унифицированных модулей приборов

бортового комплекса управления космических аппаратов с применением микроконтроллеров // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. посвящ. 90-летию со дня рождения генер. конструктора ракет.-космич. систем академика М. Ф. Решетнева (11-14 ноября 2014, г. Красноярск) : в 3 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 238-240.

2. Применение магистрально-модульного принципа при построении бортовой аппаратуры бортового комплекса управления космических аппаратов / А. И. Горностаев, Капустин А. Н., Зубавичус В. А., и др. // Решетневские чтения : материалы XIII Междунар. науч. конф. (10-12 ноября 2009, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. унт. Красноярск, 2009. С. 20-22.

3. Горностаев А. И. Унификация интерфейсных модулей сопряжения блоков бортового комплекса управления // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. № 54/4. С. 13-18.

4. ГОСТ 27394-87. Микросхемы интегральные заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем. М. : Изд-во стандартов, 1987.

References

1. Oshchepkova D. G., Dolganov Е. S., Gornostaev A. I. [Disigning unified modules of spacecraft onboard control system using microcontrollers]. Materialy XVIII Mezhdunar. nauch. conf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVIII Intern. Scientific Conf. "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2014, p. 238-240. (In Russ.)

2. Gornostaev A. I., Kapustin A. N., Zubavichus V. A., Kolesnikov S. M. [Application of mainline-modular principle during the construction of onboard equipment of spacecraft onboard control system]. Materialy XIII Mezhdunar. nauch. conf. "Reshetnevskie chteniya"[Materials XIII Intern. Scientific Conf. "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2009, p. 20-22. (In Russ.)

3. Gornostaev A. I. [Unification interface modules of onboard control system units]. Izv. vuzov. Priborostro-enie. 2011, no. 54, p. 13-18. (In Russ.)

4. GOST 27394-87. Mikroshemy integral'nye za-kaznye i poluzakaznye. Poryadok razrabotki i raspre-deleniya rabot mezhdu zakazchikom i ispolnitelem. M.: Izd-vo standartov, 1987.