Почему на новых марсоходах стоят старые процессоры Как бытовая электроника дослужилась до космоса
Космические корабли Apollo управлялись процессорами с тактовой частотой 43 КГц. Сегодня даже микроконтроллер в USB-флешке способен на большее, а процессор iPhone 12 работает с частотой более 3,1 ГГц и мог бы возглавить целую флотилию «Аполлонов». Но это говорит не о простоте электроники, которая устанавливается в космических аппаратах, а о той удивительной скорости, с которой развиваются технологии на Земле. Разработчики спутников, марсоходов и ракет вынуждены двигаться куда осторожнее, ведь их изделиям приходится работать в условиях повышенной опасности. Здесь в приоритете не компактность и даже не скорость работы, а надежность и бесперебойность.
PROBA-V. Спутник дистанционного зондирования Земли, запущенный в 2013 году. Использует радиационно стойкие процессоры LEON2-FT, изготовленные по 180-нанометровой технологии, как Pentium III из середины 1990-х
«Большие системы, как на космическом корабле или на МКС, не слишком похожи на обычные персональные компьютеры, — рассказывает разработчик электроники из МИФИ Юлия Шалтаева. — Их лучше сравнить с промышленными шкафами автоматизации, которые управляют роботизированными линиями производства. На прочных стойках смонтированы электронные платы: процессоры, память, дополнительные логические схемы для проведения некоторых вычислений — например, обработки изображений или подготовки данных для пересылки по радио».
Международная космическая станция (МКС). С 1998 года работает на околоземной орбите высотой около 400 км. Использует множество бортовых компьютеров, включая сотню ноутбуков IBM/Lenovo и HP. По большей части они находятся на борту станции, где условия близки к обычным, поэтому глубоких модификаций электроники не потребовалось
К платам подведены кабели от исполнительской части — периферийного оборудования. Это могут быть датчики движения или освещенности, лидары для оценки расстояния, цифровые камеры и т. п. Включение-выключение отдельных устройств в пусковом оборудовании часто производится с помощью пневматики. «Здесь рядом могут соседствовать легковоспламеняющиеся вещества и экстремальные температуры, — говорит Юлия Шалтаева, — так что использовать высокое напряжение не стоит. Космическая техника и без того вынуждена работать в крайне суровых условиях и не всегда выдерживает их».
Передозировка на лунной орбите
Первый индийский лунный зонд Chandrayaan‑1 проработал меньше года. Цифровой звездный датчик, с помощью которого аппарат ориентировался в пространстве, не выдержал постоянной радиационной бомбардировки и сломался, а следом вышел из строя и запасной. Продержавшись некоторое время на гироскопах, без внешнего ориентира, Chandrayaan‑1 сошел с орбиты намного раньше положенного срока. «Такие эффекты космической радиации называются дозовыми, — объясняет Юлия. — Они отличаются низкой интенсивностью, но накапливаются со временем».
Chandrayaan‑1. Искусственный спутник Луны, запущенный в октябре 2008 года и сошедший с орбиты спустя 312 дней. Успел сбросить ударный модуль и проанализировать состав поднятой им пыли. Нес на борту устойчивый к радиации твердотельный накопитель на 32 Гб с тройным резервированием
Работа любой электроники требует предсказуемой проводимости каждого компонента. А она, в свою очередь, зависит от чистоты и упорядоченности полупроводникового кристалла. Слабая, но длительная бомбардировка радиоактивными частицами приводит к тому, что один за другим в кристаллической решетке возникают дефекты. Токи легче протекают через такую область — и происходит пробой, возникает ошибка.
Космическая техника и без того вынуждена работать в крайне суровых условиях и не всегда выдерживает их
Постепенно за счет накопления дозовых эффектов устройство может пройти точку невозврата и окончательно выйти из строя, после чего ее уже не восстановить. Однако если среагировать вовремя, полупроводник можно «вылечить» даже в космосе, дистанционно. Достаточно разогреть кристалл, нагрузив вычислениями его или соседние устройства. «Мы называем это отжигом, — говорит Юлия Шалтаева. — При этом происходит перекристаллизация решетки, и структура самовосстанавливается».
Бомбардировка на пути к астероиду
В 2003 году японский зонд Hayabusa пережил необычайно сильную солнечную вспышку, которая повредила его солнечные батареи и привела к отключению одного из двигателей. Аппарату не повезло: обычно космическая радиация не так опасна. Критических уровней она достигает лишь при прохождении через радиационные пояса, где магнитное поле Земли задерживает массу заряженных частиц, или при вспышках солнечной активности. Иногда космическую электронику попросту отключают на это время, сберегая аппарат от сбоев.
Hayabusa. Космический аппарат, который впервые успешно собрал и доставил на Землю образцы вещества с астероида Итокава. Из-за сбоев с солнечными батареями миссия задержалась и несколько раз теряла связь с Землей, а попытки высадить на небесное тело спускаемый модуль закончилась неудачей
Но такие меры не защитят от случайной тяжелой частицы, которая в любой момент может прилететь из далекого космоса. Словно массивное ядро, она успевает глубоко войти в кристалл, производя лавину разрушений. «В отличие от дозовых эффектов, которые обычно приводят к отказу одного элемента, такое разовое воздействие бывает настолько интенсивным, что из строя может выйти целый сегмент на плате, — говорит Юлия Шалтаева. — Отжиг тут не спасет, придется полагаться на резервирование».
И если в гражданской электронике, когда необходимо, используют дублирование критических систем, то в космической чаще применяют утроение. А зонд Galileo, который в 1995–2003 годах находился в системе Юпитера и его спутников, использовал сразу шесть отдельных процессоров RCA 1802 (под катом) для управления каждой из своих ключевых систем. Радиационные пояса гигантской планеты намного опаснее, чем в окрестностях Земли, но в случае отказа одной микросхемы остальные могли продолжать работу.
Galileo. Был запущен в 1989 году, а в 1995-м вышел на орбиту Юпитера. За время работы аппарат собрал и отправил на Землю больше 30 Гб данных. Для сохранения информации использовал надежный ленточный накопитель емкостью 114 Мб; впрочем, за время миссии и он несколько раз сбоил
Разреженная атмосфера на Марсе
Американский марсоход Opportunity проработал на Красной планете больше 13 лет, намного дольше запланированного срока. Хоть это и рекорд, но не исключение: многие аппараты умудряются действовать на Луне или Марсе в разы дольше расчетного времени службы. Один из секретов такой выживаемости — отсутствие кислородной атмосферы. Благодаря этому окислительные процессы происходят здесь медленнее, и электроника меньше «ржавеет». Зато в разреженной атмосфере, а тем более в вакууме космического пространства, крайне остро встает проблема перегрева: охлаждаться с помощью воздуха, как на Земле, здесь не получится.
«Для отвода тепла можно использовать металлические конструкции или жидкостную систему охлаждения, — говорит Юлия Шалтаева. — Все эти процессы заранее моделируются и проверяются на Земле. Мы можем воспроизвести нужные условия, создав вакуум и „скормив“ компьютеру соответствующие объемы данных, имитируя рабочую нагрузку. А излучение часто получают с помощью ускорителей частиц или ядерных реакторов. Это позволяет смоделировать и обычные условия работы, и критические ситуации, и даже проведение отжига для восстановления кристалла».
Opportunity. Один из двух марсоходов-близнецов, отправленных к цели еще в 2004 году. Поставил рекорд долгожительства, проработав до начала 2019-го. Использовал процессоры BAE RAD6000 — радиационно стойкие версии IBM RSC, которые устанавливались на популярные в начале 2000-х рабочие станции IBM RS/6000
Как правило, в космосе применяют специальные электронные компоненты. Их часто создают на базе гражданских моделей, прошедших проверку временем, а также дополнительные испытания и тысячи часов тестов. Существуют технологии для усиления их радиационной защиты. Например, вместо монолитной полупроводниковой пластины микросхему производят из двух слоев кремния, разделенных дополнительным слоем изолятора. Это делает чип в разы дороже, но резко повышает его радиационную стойкость. Такие процессоры RAD750 (под катом) используются на новейшем марсоходе Curiosity. Они изготовлены на основе PowerPC750, которые были выпущены в 1999 году и устанавливались еще на самые первые компьютеры iMac.
Curiosity. Марсоход работает на Красной планете с 2012 года и остается одним из самых сложных межпланетных аппаратов. Основной компьютер использует два процессора BAE RAD750 с 256 Кб энергонезависимой памяти EEPROM, а также 256 Мб оперативной памяти DRAM и 2 Гб на твердотельных накопителях (флеш-память)
Гражданская техника в космосе
В последнее время космическая электроника быстро меняется. В нее все чаще проникают обычные устройства гражданского назначения. «Порой они испытываются недостаточно внимательно, — говорит Юлия Шалтаева. — А с учетом того, что списки необходимых компонентов огромны, непроверенное оборудование вполне может оказаться на аппарате». Пожалуй, самый известный такой случай — катастрофа российского зонда «Фобос-Грунт». На нем использовались коммерческие электронные компоненты, которые не были как следует протестированы на поведение в условиях космического пространства. В итоге управляющий компьютер вышел из строя еще при выходе на отлетную орбиту, и аппарат погиб, даже не покинув околоземного пространства.
«Фобос-Грунт». Миссия по доставке образцов с поверхности одного из спутников Марса. Из-за того что маршевый двигатель перелетного модуля не включился, аппарат не сумел начать отлет и погиб в земной атмосфере. Причиной отказа стало воздействие тяжелых частиц, вызвавших сбой в оперативной памяти бортового вычислительного комплекса
Однако в менее масштабных космических миссиях гражданская электроника демонстрирует себя неплохо и используется на многих небольших спутниках. Она всегда дешевле, компактнее и легче космической, что дает больше возможностей для создателей микро- и наноспутников. Правда, в силу своей миниатюрности такие бытовые компоненты не могут работать в космосе так же долго, как и специальные космические. Чем меньше транзисторы и чем слабее протекающие токи, тем легче нарушить их работу. И наоборот, частицам радиации сложнее вывести из строя крупный транзистор. В этом одна из причин того, почему в космос отправляются «устаревшие» компоненты.
Но постепенно инженеры все лучше приспосабливают обычную электронику к космическим полетам. Для защиты от сильных вибраций при запуске их погружают в эпоксидную смолу. Для изоляции от тяжелых частиц покрывают экраном из металлической фольги, а чтобы заряженные пылинки не оседали на корпусе и не накапливали электростатический заряд, пластик заменяют на керамику. При наличии развитой микроэлектронной промышленности освоить это — не слишком большая проблема. «Сегодня космическая электроника — самый большой рекламный баннер электроники гражданской, говорит Юлия Шалтаева. — Она позволяет показать, что стране по плечу самые сложные проекты».
, Разработчик радиационно стойкой электроники, сотрудник национального исследовательского ядерного университета МИФИМы с коллегами помогаем с космическими проектами школьникам. Например, в Подольске ученики под руководством Александра Бакеренкова и других наставников создают малый спутник формата СubeSat. Недавно для него разработали систему электропитания бортовой электроники. В больших аппаратах для этого используют микроконтроллеры с памятью, в которой содержится управляющая программа. В космосе, при воздействии тяжелых заряженных частиц, в памяти и в программе могут возникать сбои. Для их коррекции требуются дублирующие микроконтроллеры, сложные технологии восстановления данных. Но на малых спутниках в этом нет необходимости. Им лучше подходит аналоговая система электропитания, не несущая собственной памяти. Такую систему для своего спутника и создали школьники. Помните эпизод из старого советского фильма про Алису Селезневу? Дети будущего спрашивают у школьников 1980-х: «Да что у вас в школе спутников, что ли, не проходят»? У нас уже проходят.
Читайте также, какие проблемы на Земле можно решить с помощью профессионального спутникового оборудования:
Использованные источники: Материал опубликован в журнале «Цифровой океан» № 8, 2021, MARK WILLIAMSON / SPL / Legion-media, ESA-P.Carril, Pallava Bagla / Corbis / Getty Images, Urs Mall, Roberto Bugiolacchi / Max Planck Institute for Solar System Research (CC BY-SA), AP / East News, NASA / Roscosmos, Akihiro IKESHITA / JAXA / AFP / East News, The Asahi Shimbun / Getty Images, NASA, Konstantin Lanzet (CC BY-SA), NASA / JPL-Caltech, Henriok, NASA / JPL, MAXIM MARMUR / AFP / East News
