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太空及卫星常见问题(FAQs)
Vicor 针对中低轨道卫星的太空电源设计整理了一个常见问题清单。
作者:Rob Russell,卫星事业部副总裁
新太空
问:太空任务的挑战有哪些?
答:太空中几乎没有任何物质,也就是高真空。没有空气就无法维持生命,也无法提供加热或散热传导对流。国际空间站的极端温度范围从背阴面的 -250℉ 到向阳面的 +250℉,跨度极大,因此需要温控系统。进入太空不是一件容易的事,需要火箭发射给航天器施加巨大的加速度和振动力。航天器必须利用机载能量存储、某种形式的燃料和/或太阳能帆板为其自身供电。地球大气层外的辐射强度很大,会导致航天器退化。必须避开空间碎片和陨石。低轨道必须考虑大气阻力,否则就会最终返回地球。
问:何为新太空?
答:新太空,有时也叫太空 2.0,是一种由私营企业开发的进入太空的低成本方案。私营企业已大幅降低了发射及卫星成本,商业公司、高校和政府项目现在进入太空只需之前成本的一小部分即可。卫星可以用较低等级的耐辐射组件构建,为了获得成本优势,有时甚至可以使用商业部件。商业公司之间的竞争将继续压低成本。完全防辐射部件往往在技术上比较滞后,新太空利用现代计算机技术的进步就是一个实例。
辐射
问:何为辐射?
答:在太空中,辐射充斥着高能电磁波及亚原子粒子的复杂混合物。电磁波与可见光相似,但频率更高,如 X 射线和伽马射线等。亚原子粒子从其速度中获得高能。这些粒子由电子、质子、阿尔法粒子(一种氦核)及较重元素的原子核的混合物组成。亚原子粒子被称为宇宙射线。
问:什么是电离辐射?
答:能量极高,能够从物质中移除一个或多个电子,从而产生离子的辐射,叫电离辐射。通过释放电子,原子变成带正电荷的离子。
问:太空中的辐射源是什么?
答:在地球附近,大部分空间辐射来自太阳,但也有一些来自遥远的恒星和星系事件。许多带电粒子被困在地球磁场中,形成了范艾伦辐射带,即环绕地球的高辐射区域。
问:辐射危险吗?
答:辐射对健康的影响取决于辐射的累积量、能量和粒子组成。辐射被视为对生命有危险,因为低剂量的电离辐射会对 DNA 造成损害,导致细胞突变。剂量在 100 至 600 拉德(辐射计量单位)之间,会导致胃不适、疲劳和呕吐。然而,在没有医疗救助的情况下,200 至 800 拉德的剂量在 60 天内造成死亡的几率为 50%。如果不进行治疗,800 拉德以上的剂量基本上肯定会致命。
问:宇航员如何在太空中生存?
答:为了让宇航员在太空中生存,我们必须为他们提供适合生活的环境。也就是说,需要可供呼吸的空气、温控、针对陨石、微流星体及空间碎片的人体保护,以及抗辐射保护。必须周密规划饮食,以免在补给之前耗尽。
问:辐射如何影响航天器?
答:辐射可改变材料的特性,造成永久性或暂时性退化。电荷可能会在表面积聚,最终按照静电荷的形式放电。单一事件效应 (SEE) 是由带电高能粒子以电子形式释放其能量直接造成的,可能会改变计算机的逻辑位,也可能会造成永久性的破坏性损坏。长期辐射被称为总电离剂量 (TID),可逐渐改变电子产品的性能。TID 电路多到一定程度,就会停止正常工作。
问:如何让航天器免遭辐射?
答:有几种方法,并且经常结合使用。大多数人首先选择抗辐射材料。材料和电子产品的辐射效应测试是卫星设计的一个重大部分。了解了轨道和使用寿命,工程师可以使用几种工具来预测航天器外部的环境。屏蔽主要用于吸收和减少大部分电离辐射的影响。但屏蔽很复杂:屏蔽可以阻止低能辐射,但高能宇宙射线在穿过薄屏蔽层之后,可能会产生一束二次电离粒子。防护罩很重,对任务没有任何帮助,因此可以在防护罩和耐辐射部件之间进行利弊权衡。对于重要功能,通常部署某种形式的冗余硬件来减轻单一事件的影响。
卫星供电
问:卫星从哪里获得动力?
答:大多数绕地球运行的卫星通过太阳获取能源。航天器上的光伏 (PV) 面板与屋顶上使用的光伏面板类似,将太阳光转化为电能。但为了减轻重量,航天级光伏电池通常使用更高效率的多层结构,能够将更多的光能转化为电能。产生的能量会因地球或其它卫星部件的阴影、面对太阳的角度、电力负荷以及面板的寿命而不同,因为暗化和辐射效应会影响效率。为了修正这些变化,电源调节装置不仅会调节所提供的电源,使其适应航天器和可充电电池,而且还会将电压母线分配给卫星组件。在卫星完全被地球遮蔽时,电池就会为其供电。有几种常见的母线电压,但通常都在 28V 至 100V 之间。
问:如何从卫星母线为电子负载供电?
答:卫星的配电可能很复杂。子系统负载需要稳压、与母线隔离、噪声过滤、瞬态抑制、故障隔离以及通过局部网络提供充足的电源。这些任务是通过将配电单元 (PDU) 和单元级电源组合起来完成的,这些电源针对每个负载调整了大小。PDU 不仅提供故障隔离,而且还可进行稳压。供电设备通常包括从母线电压到0.5V到12V负载水平的稳压、母线隔离、噪声过滤和瞬态抑制,有时还包括故障保护。
问:Vicor 的耐辐射电源解决方案是什么?
答:Vicor 开发的产品系列充分考虑了太空产品的独特需求,其中包括 TID 和 SEE 的影响。所选的半导体组件均能抵御这两种辐射效应。Vicor 会测试所有批次的零部件,以确保达到产品的抗辐射性能。模块整合双供电链结构,可在单一事件效应过程中确保电源的完整性,使重要负载获得连续不断的电源。
问:Vicor 耐辐射解决方案有何优势?
答:Vicor 耐辐射电源转换器可提供高功率密度、高转换效率、小巧的外型、很轻的重量以及低噪声开关性能。这些优势是通过 Vicor 使用的零电压及零电流开关技术实现的,其可实现高效率的高频率工作。
问:Vicor 耐辐射产品的总剂量 (TID) 额定值是多少?
答:Vicor 耐辐射电源产品的耐辐射总剂量额定值为 50k 拉德。新模块经过测试,TID 仍然保持公布的额定值,高达 80k 拉德。
问:Vicor 如何确保耐辐射电源组件的耐辐射性能?
答:Vicor 通常会对耐辐射产品系列中使用的材料执行严格的控制。所有易受辐射影响的半导体均经过大量测试。只有那些通过我们严格测试的材料批次才会转而用于装配耐辐射模块。
问:Vicor 耐辐射 DC-DC 转换器如何在 SEE 环境中生存?
答:Vicor 在耐辐射 DC-DC 转换器产品线的设计和部件选择上,注重每一个细节。耐辐射产品中使用的组件需要进行重离子测试。我们测试了 MOSFETS 的单事件烧毁 (SEB) 和单事件栅穿 (SEGR)。显著的电压降低额定值应用于 MOSFETS,以确保完好无损。只有器件能在 35MeV-cm2/mg 的线性能量转移 (LET) 下保持完好无损时,才能使用。
问:Vicor 耐辐射产品是否会在 SEE 环境下出问题?
答:Vicor 在重离子环境下对模块进行了广泛的特性测试。重离子可能会导致供电链功能紊乱,即 SEFI。我们不仅采用了检测各种形式的 SEFI 的方法,而且还对供电链进行了复位。每一款 Vicor 耐辐射电源模块均包含两个通常并行运行的供电链。如果一个供电链被带电粒子打乱并重置,并行单元会在重置过程中承担全部负荷,这是一种主动冗余的形式。当紊乱的模块重新上线时,这两部分模块会再次共同承担负荷。这种双供电链方案可确保电源在 SEE 环境下可靠传输。
问:Vicor 耐辐射产品是否符合航天要求?
答:Vicor 已通过适用于太空应用非密封模块的认证流程。四款合格的模块有一款母线转换器模块 (BCM®)、一款前置稳压器模块 (PRM™) 和两款变压模块 (VTM™)。确认流程包括烙印、热循环、温湿度偏差、高温工作寿命,以及严格的高提速使用寿命测试。
问:Vicor 耐辐射电源转换产品能否在任何航天器的母线上运行?
答:最初的产品系列设计旨在通过 100V 航天器母线工作。只需对母线转换器模块 (BCM) 和前置稳压器模块 (PRM) 稍加改动,该产品就可通过任何常见的母线工作,包括 28V、50V 和 70V 母线。
问:Vicor 耐辐射模块是否为实现可靠运行而进行了降额?
答:所有模块都按照 IPC-9592B 标准进行了降额,在保守的外壳温度下工作时,可满足通用太空的降额需求。
问:是否提供了一个有数据包可用于支持客户的需求验证?
答:是的,根据合同,Vicor 可提供一个完整的数据包,其中包括最坏情况下的电路性能、辐射、散热、应力降级、FMEA 以及可靠性分析。
问:Vicor 耐辐射模块是如何制造的?
答:Vicor 在称之为 SM ChiP™ 封装的先进高级产品制造工艺中投入了大量资金,这是一种针对电源产品而优化的高密度封装。模压及电镀模块经过精心设计,有助于将热量传递给客户散热器。模块可使用通用 SMT 组装设备装配在主机 PCB 上。
问:Vicor 耐辐射模块是在哪里制造的?
答:所有 Vicor 耐辐射产品均在美国装配。
问:Vicor 耐辐射产品是否经过飞行测试?
答:Vicor 产品预计将于 2022 年第三季度首飞。
问:Vicor 航天产品有出口限制吗?
答:Vicor 耐辐射电源产品被评为 EAR99 级出口产品。
问:在哪里可获得 Vicor 耐辐射电源产品的数据?
问:耐辐射部件。
Rob Russell 现任卫星业务开发副总裁,他在 Vicor 公司已工作 10 多年,担任过战略市场营销、产品市场营销以及业务开发等各种职务。Rob Russell 在电子行业拥有超过 29 年的丰富销售及市场营销经验。他毕业于马萨诸塞大学,先后获电气工程学士学位和工商管理硕士学位。在加入 Vicor 之前,他在 Power-One 工作,担任产品市场营销副总裁兼全球战略销售总监。
Rob Russell,卫星事业部副总裁