Электроника для космоса: кто и как изготавливает ее для работы в самых суровых условиях

Некоторые космические разработки успешно применяются на Земле. Но есть и обратные примеры — когда вещи, изначально созданные для обычных пользователей, со временем пригодились в космосе. Это напрямую касается электроники и оптики — тех инструментов, без которых сложно представить изучение Вселенной. И которые вынуждены работать в суровых условиях космоса, чтобы мы могли прямо на месте получать анализы образцов грунта, управлять космическими аппаратами из наземных центров или рассматривать селфи марсохода, сделанного за десятки миллионов километров. Что уникального во всех этих устройствах и как им удается сохранять работоспособность под сильным воздействием радиации и других факторов — наша статья. 

От ламповых схем до микрочипов

Когда люди начали отправлять в космос первые аппараты, уже было понятно, что тем надлежит выдерживать суровые условия эксплуатации. Технологии тогда позаимствовали у военных, которые и в США, и в СССР (основных участниках космической гонки) активно разрабатывали ракетные и баллистические системы. Эти наработки легли в основу запусков, состоявшихся в 1950-х годах, и обеспечили основным системам надежность, необходимую для приемлемой работы в условиях космоса.

Первые системы с электронными компонентами сегодня было бы очень сложно назвать приемлемыми. Тот же запущенный в 1957 году «Спутник-1» хаотично вращался, так как не был оснащен системой ориентации, а сигналы его обоих одноваттных передатчиков могли ловить все желающие с помощью обычного радиоприемника. Не менее далекой от совершенства была и космическая станция «Луна-3», сделавшая и отправившая на Землю первые изображения обратной стороны Луны.

Самые ранние устройства были созданы с использованием громоздких аналоговых схем на лампах, выполняли лишь простейшие арифметические операции и при этом занимали пространство, сопоставимое с размерами школьного спортзала. Все изменилось с появлением транзисторов. Они работали в тысячи раз эффективнее, были компактными, а объединенные в интегральные схемы — поддерживали программирование. Чтобы транзисторы функционировали в космосе, а также выдерживали вибрации и перегрузки во время запуска ракеты-носителя, их помещали в герметичные контейнеры, заполненные воздухом комнатной температуры. Такими были первые попытки защитить чувствительную электронику от экстремальных космических условий, опасных и для людей, и для техники.

Основные угрозы для электроники в космосе

Несмотря на технологический прогресс, космическая среда по-прежнему очень агрессивна (и это вряд ли изменится), что следует учитывать при проектировании любых космических аппаратов. Это в очередной раз напомнила история с первым индийским орбитальным аппаратом Chandrayaan 1, запущенным на Луну в 2008 году. У него после нескольких месяцев работы вышел из строя звездный датчик, а затем отказал и резервный — главным образом из-за солнечной радиации, хотя были и другие факторы. Оставшуюся часть миссии, которую все-таки признали успешной, аппарату пришлось выполнять, ориентируясь на данные с бортового гироскопа и постоянные корректировки с Земли.  

Другой инцидент датируется 2011 годом — тогда аппарату Phobos-Grunt следовало доставить с марсианского спутника Фобос целых 200 г грунта. Но он рухнул в океан, так и не покинув пределы низкой околоземной орбиты (это от 160 до 2000 км над поверхностью). Все из-за электронных компонентов, которые не предназначались для использования в космосе и даже должным образом не тестировались перед запуском. 

Безусловно, радиация стала основной угрозой для электронных компонентов в космосе. Ионы космического излучения, которые взаимодействуют с микрочипами, могут приводить к ошибкам памяти. А высокоэнергетические ионы или протоны, проходящие через транзистор, влекут за собой короткое замыкание, выход электронов из цепи и, как следствие, необратимые повреждения, угрожающие целям миссии. Хотя некоторые проблемы возникают уже на старте, многие из них начинаются, когда космический аппарат покидает пределы низкой околоземной орбиты, ведь ближе к поверхности Земли его защищают ее атмосфера и магнитное поле. Не зря ведь астронавты на МКС часто пользуются электроникой, изготовленной на базе обычных «земных» микросхем. А вот спутникам GPS и GLONASS не так повезло: на высоте около 20 000 км, где они расположены, проникающая способность энергичных частиц настолько высокая, что исключает использование наземных микрочипов.

Независимо от источника (а это могут быть галактические космические лучи, солнечные энергетические частицы или от пояса Ван Аллена), радиация может вызвать долгосрочную деградацию электроники (TID) или одномоментные проблемы (SEE). Первую чаще всего ассоциируют с потерей миссии — если процессор столкнулся с TID, она обречена на провал. Но и разовое воздействие радиации отнюдь не безобидное, потому что может проявляться самыми непредсказуемыми способами, вызывая как незначительные, так и серьезные сбои. Плюс бороться с SEE невозможно либо очень сложно, поскольку это требует обработки информации о неисправностях в режиме реального времени и оперативной реакции на них.

Как создают электронные компоненты, устойчивые к работе в космосе

В военной и аэрокосмической сферах в США действует стандарт MIL-STD-883, устанавливающий порядок тестирования электронных компонентов. Например, Министерство обороны США требует более 100 испытаний, чтобы подтвердить надежную работу электроники в условиях интенсивной радиации, вибрационных нагрузок и сильных колебаний температуры. Есть еще одно правило: каждая деталь, предназначенная для космоса, проходит полную тщательную проверку. Это совсем другой подход, нежели в тестировании потребительской и промышленной электроники, где часто достаточно выборочно проверить отдельные компоненты партии.

Предназначенные для работы в космосе процессоры должны получить маркировку «радиационно устойчивые» (radiation-hardened). Это возможно лишь при условии, что их конструкция, экранирование и монтажные компоненты — на изолирующих подложках, что отличает их от обычных полупроводниковых пластин. Также полезны схемы обнаружения и исправления ошибок, возникающих под воздействием радиации, но чаще всего проблема решается избыточностью компонентов. Это когда вместо одного процессора подключают сразу три, параллельно выполняющих одну и ту же задачу. Если в одном происходит сбой, применяют результаты вычислений двух других. Недостатки такого подхода в том, что он эффективен только от SEE-инцидентов, бесполезен при TID, а еще увеличивает вес полезной нагрузки и потребляемую мощность. Поэтому таким образом защищают только наиболее критичные компоненты. Остальные процессоры, занятые рутинными задачами, можно использовать в необходимом количестве.

В истории освоения космоса уже есть примеры, когда именно за счет избыточности достигали стабильной работы оборудования в условиях сильной радиации. Так, в рамках научного проекта Planet Hunters был запущен спутник TESS для поиска экзопланет с высокоэллиптической орбиты. Хотя при этом использовались уязвимые к радиации микрочипы, они, как и все жизненно важные системы, были продублированы, а срок их эксплуатации инженеры NASA ограничили двумя годами. 

Кстати, считается, что сложнее всего защитить от солнечной радиации не процессоры, а компоненты памяти — постоянной и оперативной. Все потому, что на современных запоминающих устройствах информация хранится в виде электрического разряда (0 — разряд отсутствует, 1 — разряд есть), который особенно восприимчив к ионизирующему излучению. Плюс на сложность реализации защиты влияет будущее расположение космического аппарата. Скажем, все они переживают интенсивное облучение во время полетов поблизости Юпитера. В этом случае важна не только избыточность ключевых электронных компонентов, но и дополнительная защита, как это реализовано в космическом зонде JUNO, который работает как раз на орбите Юпитера. Специально для него создали шесть титановых экранов с толщиной стенок 10 мм, что позволило снизить радиационное воздействие на электронику более чем в 800 раз!

Не только радиация негативно воздействует на электронные компоненты в космосе. Под угрозой всегда и надежность крепления отдельных компонентов, рискующих стать точками отказа из-за сильной вибрации, особенно во время запуска. Сейчас эту проблему решают с помощью специальных аэрокосмических разъемов — такие выпускает компания Amphenol Aerospace.

Еще одна сложность — в том, чтобы обеспечить термическую стойкость: критически важные компоненты должны легко переносить перепады температур. Когда, к примеру, с жаркого и влажного побережья Флориды ракета-носитель отправляется в открытый космос с его стабильным минусом за бортом, многие материалы испытывают очень сильное напряжение — это тоже необходимо учитывать при проектировании вычислительных систем. 

Также помним, что в космосе фактически вакуум, и это добавляет ему «суровости», когда мы говорим об использовании электронных компонентов. Помещенные в условия вакуума, они могут вести себя совершенно иначе, чем в привычной земной атмосфере. Чтобы гарантировать работоспособность, после того как они покинут атмосферу Земли, их тестируют в специальных термовакуумных камерах (TVAC) — в условиях, похожих на космические: с экстремальными температурами и без давления. Ведь, если в резиновой изоляции разъема таится маленький пузырек воздуха, то в вакууме космоса или камеры он может лопнуть и повредить деталь.

И, наконец, есть еще ультрафиолетовое излучение, характерное для термосферы — она начинается на высоте 80-90 км и простирается до 400-500 км. Здесь происходит ультрафиолетовая деградация материалов, способная изменить их свойства вплоть до молекулярного состава, и в конечном итоге привести к разрушению. Поэтому МКС и спутники на низкой околоземной орбите используют еще и специальную УФ-защиту для электронных систем.

В последние несколько лет космические системы все чаще сталкиваются с еще одним типом космических угроз — кибератаками. Поэтому критически важные компоненты вроде процессоров и модулей памяти следует проектировать так, чтобы эффективно им противостоять.

Процессоры, устойчивые к радиации и не только

К микрочипам прикован максимум внимания: в базовом исполнении они сильно уязвимы перед космической радиацией и в целом агрессивной средой космоса, а сбои и потеря управления ставят под угрозу всю миссию. Один из старейших процессоров, который можно назвать защищенным и адаптированным под использование в космосе, это RCA (CDP) 1802, впервые представленный в далеком 1972 году. На тот момент он был уникален тем, что работал на очень низких частотах и с минимальным энергопотреблением, а для космических аппаратов была выпущена специальная версия, выполненная по технологии «кремний на сапфире» (Silicon on insulator, SOI), обеспечивающей высокую устойчивость к ионизирующему излучению. Благодаря этому процессор 1802 стал главным кандидатом на установку в космический аппарат Galileo и массово применялся в искусственных спутниках Земли. 

На смену модели 1802 сначала пришел RAD6000, а затем и легендарный RAD750 производства BAE Systems — радиационно-устойчивый процессор, созданный на основе чипа PowerPC 750 компании IBM. Изначально его разрабатывали, чтобы минимизировать любые негативные последствия экстремального излучения в космосе. RAD750 выдерживал высокие дозы радиации, поддерживал работу в широком температурном диапазоне (от -55°C до 125°C) и по производительности превосходил предыдущее поколение космических процессоров в десять раз. Также он получил усовершенствованную схему динамического контроля производительности и энергопотребления. 

RAD750 оставался основным микрочипом для вычислительных задач в космосе несколько десятилетий подряд: он стал полезен в более чем 150 миссиях, включая упомянутый выше JUNO, а также марсоход Curiosity, телескоп Kepler и Обсерваторию солнечной динамики (Solar Dynamics Observatory, SDO). Во всех них была реализована аппаратная избыточность — например, в Curiosity установили два процессора RAD750, где второй брал на себя управление тогда, когда у первого возникали проблемы с флеш-памятью. Предсказуемо, все это обходилось NASA в крупные суммы: если PowerPC 750 стоил около $500, то RAD750 — $200 000!

В числе последних крупных космических проектов с участием RAD750 — автоматическая межпланетная станция Europa Clipper для изучения Европы, галилеевой луны Юпитера. Здесь не удалось обойтись использованием одного только специализированного процессора: вся электроника бортовой системы, приборные системы и другие ключевые компоненты Europa Clipper заключены в камеру со стенками из листов алюминиево-цинкового сплава толщиной 9,2 мм. 

История использования RAD750 в космических миссиях длится десятилетия, хотя за это время технологии шагнули сильно вперед. Разумеется, разрабатывать новые процессоры для задач NASA — дорогой и трудоемкий процесс. Однако в последнее время появляется так много частных инициатив, а требования к вычислительным ресурсам растут столь быстро, что ситуация будет меняться в любом случае. Об этом говорит хотя бы то, что еще в 2022 году американское космическое агентство выбрало компанию Microchip для разработки высокопроизводительного процессора (HPSC) PIC64, отвечающего актуальным потребностям космической отрасли. При этом он должен подходить как для продолжительных, так и для коротких миссий, поддерживать новые стандарты и программное обеспечение с открытым кодом. Закономерно, что производительность тоже вырастет: серия PIC64-HPSC от Microchip уже обеспечивает стократный прирост вычислительной мощности по сравнению с традиционными космическими процессорами. А это открывает возможности для разработки новых космических приложений, использования виртуализации, а также искусственного интеллекта и машинного обучения прямо на борту.

Видеть невидимое: камеры в космосе

Мы бы знали о Вселенной в разы меньше, если бы были лишены возможности делать в космосе фотографии в высоком разрешении — с помощью как телескопов, так и более традиционного фотооборудования. От камер Hasselblad в руках астронавтов Apollo до потрясающих снимков, сделанных телескопом Hubble — в абсолютном большинстве миссий получаются изображения Вселенной, которые в дальнейшем полезны в научных исследованиях и удовлетворяют наше любопытство. Кроме того, именно NASA оказало сильнейшее влияние на цифровую фотографию на Земле — например, первую концепцию цифровой камеры разработал инженер Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) Юджин Лалли, а позднее в NASA продолжили работать над созданием компактных, легких и надежных датчиков, которые можно было использовать в экстремальных условиях космоса.

В 1990-х годах ученые JPL начали тестировать возможность улучшения датчиков изображения на основе технологии комплементарных металл-оксидных полупроводников (CMOS-APS), чтобы сохранить высокое разрешение, сделать камеры еще меньше и защитить их от радиации. Позже технологию усовершенствовали, а разработанные на ее основе миниатюрные датчики сегодня установлены в смартфонах, камерах ноутбуков и в медицинском эндоскопическом оборудовании. И, естественно, ими оборудовали многие космические аппараты — такие как марсоход Perseverance или телескопы Solar Orbiter. 

Как и в случае с электроникой, инженерам приходится искать способы защитить чувствительные датчики не только от радиации. Например, чтобы сохранять зеркала телескопа James Webb холодными (а они нужны для сбора и фокусировки света с самых отдаленных и тусклых объектов), устанавливаются специальные солнцезащитные экраны. С одной стороны, они защищают от солнечного тепла, с другой — от нагревающегося корпуса космического корабля. Дополнительно вся конструкция 100 дней тестировалась в криогенной камере, чтобы гарантировать ее нормальную работу в космосе. 

Астронавты на Международной космической станции регулярно снимают фото и записывают видео — как в научных, так и в просветительских целях. Начиная с 2014 года, они записывают 3D-контент в высоком разрешении благодаря камерам RED Epic Dragon (от HDTV до 6K и частота до 300 кадров в секунду). Но так же активно астронавты пользуются самыми обычными наземными камерами Nikon, Kodak, Sony, и даже встроенными камерами на смартфонах iPhone и планшетах iPad. Если вести съемку через иллюминаторы, камеры могут выполнять свои функции точно так же, как и на Земле, но срок их службы будет в несколько раз меньше.

Долгое время основными фотоприборами на МКС были цифровые зеркальные фотокамеры Nikon, например Nikon F5 и Nikon D4. Однако в 2024 году, в рамках очередной коммерческой миссии Northrop Grumman, на борт корабля была доставлена большая партия Nikon Z9, заменивших предыдущее поколение камер. Срок их службы ограничивается шестью месяцами, поскольку они подвергаются повышенному космическому облучению. И это несмотря на то, что конструкция этой модели была специально адаптирована под космические условия работы на уровне микросхем и управляющей архитектуры. А для миссий за пределами станции предусмотрены защитные кожухи — своеобразные тепловые одеяла, разработанные в NASA. Также ожидается, что именно Nikon Z9 станет основной камерой в рамках предстоящей миссии Artemis.

Хотя Nikon остается основным поставщиком фотомодулей для NASA, на рынке космических услуг много других разработок, в том числе коммерческих, которые не всегда ограничиваются традиционной съемкой. Так, в Phase One для работы на низкой околоземной орбите разрабатывают CMOS-камеры, которые можно интегрировать с космическими телескопами и спутниками. Они включают радиационно устойчивые компоненты, а также встроенную систему обнаружения и восстановления неисправностей, вызванных радиацией. В Dragonfly Aerospace сосредоточены на развитии технологии SWIR, которая позволяет получать более четкие изображения даже при наличии атмосферных помех, попутно предоставляя спектральную информацию, недоступную для оптических изображений. Для использования в кубсатах компания разрабатывает компактные камеры (как Gecko Imager), устойчивые к радиации, собранные из вакуумно совместимых компонентов и способные работать при температуре от -20°C до +70°C. Недавно появились iSIM — новое поколение оптических камер, предназначенных для спутников наблюдения за Землей с возможностью видеосъемки. Разработанное компанией SATLANTIS, iSIM работает одновременно в видимом, ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном спектральных диапазонах.

Дальнейшее освоение космоса сложно представить без надежной электроники и фотооборудования, способных выдерживать огромные дозы радиации, вакуум и резкие перепады температур. Мы уже прошли путь от аналоговых ламп до мощных микрочипов, а примитивные датчики сменились теми, что позволяют запечатлеть Вселенную в мельчайших деталях. И кто знает, возможно, в будущем нас ждут еще более устойчивые и производительные системы, которые сделают исследование космоса гораздо доступнее и точнее?