Електроніка для космосу: хто та як виготовляє її для роботи в найсуворіших умовах

Деякі космічні розробки успішно застосовуються на Землі. Але є й зворотні приклади — коли речі, спочатку створені для звичайних користувачів, з часом стали в пригоді в космосі.

Це безпосередньо стосується електроніки та оптики — тих інструментів, без яких складно уявити вивчення Всесвіту. І які змушені працювати в суворих умовах космосу, щоб ми могли прямо на місці отримувати аналізи зразків ґрунту, керувати космічними апаратами з наземних центрів або розглядати селфі марсохода, зроблене за десятки мільйонів кілометрів. Що унікального в усіх цих пристроях і як їм вдається зберігати працездатність під сильним впливом радіації та інших факторів — наша стаття.

Від лампових схем до мікрочипів

Коли люди почали відправляти в космос перші апарати, вже було зрозуміло, що тим доведеться витримувати суворі умови експлуатації. Технології тоді запозичили у військових, які і в США, і в СРСР (основних учасниках космічних перегонів) активно розробляли ракетні й балістичні системи. Ці напрацювання лягли в основу запусків, що відбулися в 1950-х роках, і забезпечили основним системам надійність, необхідну для прийнятної роботи в умовах космосу.

Перші системи з електронними компонентами сьогодні було б дуже складно назвати прийнятними. Той же запущений 1957 року “Спутник-1” хаотично обертався, оскільки не був оснащений системою орієнтації, а сигнали обох його одноватних передавачів могли ловити всі охочі за допомогою звичайного радіоприймача. Не менш далекою від досконалості була й космічна станція “Луна-3”, яка зробила й відправила на Землю перші зображення зворотного боку Місяця.

Найперші пристрої були створені з використанням громіздких аналогових схем на лампах, виконували лише найпростіші арифметичні операції і при цьому займали простір, порівнянний з розмірами шкільного спортзалу. Все змінилося з появою транзисторів. Вони працювали в тисячі разів ефективніше, були компактними, а об’єднані в інтегральні схеми — підтримували програмування. Щоб транзистори функціонували в космосі, а також витримували вібрації і перевантаження під час запуску ракети-носія, їх поміщали в герметичні контейнери, заповнені повітрям кімнатної температури. Такими були перші спроби захистити чутливу електроніку від екстремальних космічних умов, небезпечних і для людей, і для техніки.

Основні загрози для електроніки в космосі

Попри технологічний прогрес, космічне середовище, як і раніше, є дуже агресивним (і це навряд чи зміниться), що слід враховувати при проєктуванні будь-яких космічних апаратів. Про це вкотре нагадала історія з першим індійським орбітальним апаратом Chandrayaan 1, запущеним на Місяць 2008 року. У нього після кількох місяців роботи вийшов з ладу зірковий датчик, а потім відмовив і резервний — головним чином через сонячну радіацію, хоча були й інші чинники. Решту місії, яку таки визнали успішною, апарату довелося виконувати, орієнтуючись на дані з бортового гіроскопа й постійні коригування із Землі.

Інший інцидент датується 2011 роком — тоді апарату Phobos-Grunt належало доставити з марсіанського супутника Фобос цілих 200 г ґрунту. Але він впав у океан, так і не покинувши межі низької навколоземної орбіти (це від 160 до 2000 км над поверхнею). Все через електронні компоненти, які не призначалися для використання в космосі і навіть належним чином не тестувалися перед запуском.

Безумовно, радіація стала основною загрозою для електронних компонентів у космосі. Іони космічного випромінювання, які взаємодіють з мікрочипами, можуть призводити до помилок пам’яті. А високоенергетичні іони або протони, що проходять через транзистор, спричиняють коротке замикання, вихід електронів з ланцюга і, як наслідок, незворотні пошкодження, що загрожують цілям місії. Хоча деякі проблеми виникають уже на старті, багато з них починаються, коли космічний апарат перетинає межу низької навколоземної орбіти, адже ближче до поверхні Землі його захищають її атмосфера і магнітне поле. Не дарма ж астронавти на МКС часто користуються електронікою, виготовленою на базі звичайних “земних” мікросхем. А ось супутникам GPS і GLONASS пощастило менше: на висоті близько 20 000 км, де вони розташовані, проникна здатність енергійних частинок настільки висока, що унеможливлює використання наземних мікрочипів.

Незалежно від джерела (а це можуть бути галактичні космічні промені, сонячні енергетичні частинки або від поясу Ван Аллена), радіація може викликати довгострокову деградацію електроніки (TID) або одномоментні проблеми (SEE). Першу найчастіше асоціюють із втратою місії — якщо процесор зіткнувся з TID, вона приречена на провал. Але й разовий вплив радіації доволі шкідливий, тому що може проявлятися непередбачувано, спричиняючи як незначні, так і серйозні збої. Плюс боротися з SEE неможливо або дуже складно, оскільки це вимагає обробки інформації про несправності у режимі реального часу і оперативної реакції на них.

Як створюють електронні компоненти, стійкі до роботи в космосі

У військовій і аерокосмічній сферах у США діє стандарт MIL-STD-883, що встановлює порядок тестування електронних компонентів. Наприклад, Міністерство оборони США вимагає понад 100 випробувань, щоб підтвердити надійну роботу електроніки в умовах інтенсивної радіації, вібраційних навантажень і значних коливань температури. Є ще одне правило: кожна деталь, призначена для космосу, підлягає повній ретельній перевірці. Це зовсім інший підхід, ніж у тестуванні споживчої і промислової електроніки, де здебільшого достатньо вибірково перевірити окремі компоненти партії.

Призначені для роботи в космосі процесори повинні отримати маркування “радіаційно стійкі” (radiation-hardened). Це можливо лише за умови, якщо їхня конструкція, екранування та монтажні компоненти — на ізолювальних підкладках, що відрізняє їх від звичайних напівпровідникових пластин. Також корисні схеми виявлення та виправлення помилок, що виникають під впливом радіації, але найчастіше проблема вирішується надмірністю компонентів. Це коли замість одного процесора підключають відразу три, які паралельно виконують те саме завдання. Якщо в одному відбувається збій, застосовують результати обчислень двох інших. Недоліки такого підходу — в тому, що він помічний тільки від SEE-інцидентів, неефективний при TID, а ще збільшує вагу корисного навантаження і споживану потужність. Тому таким чином захищають лише найбільш критичні компоненти. Решту процесорів, заклопотаних рутинними завданнями, можна використовувати в необхідній кількості.

В історії освоєння космосу вже є приклади, коли саме за рахунок надмірності досягали стабільної роботи обладнання в умовах сильної радіації. Так, у межах наукового проєкту Planet Hunters був запущений супутник TESS для пошуку екзопланет з високоеліптичної орбіти. Хоча при цьому використовувалися вразливі до радіації мікрочипи, вони, як і всі життєво важливі системи, були продубльовані, а термін їхньої експлуатації інженери NASA обмежили двома роками.

До речі, вважається, що найскладніше захистити від сонячної радіації не процесори, а компоненти пам’яті — постійної та оперативної. Все тому, що на сучасних запам’ятовувальних пристроях інформація зберігається у вигляді електричного розряду (0 — розряд відсутній, 1 — розряд є), що особливо чутливий до іонізуючого випромінювання. Плюс на складність реалізації захисту впливає майбутнє розташування космічного апарата. Скажімо, всі вони зазнають інтенсивного опромінення під час польотів поблизу Юпітера. У цьому випадку важлива не тільки надмірність ключових електронних компонентів, а й додатковий захист, як це реалізовано в космічному зонді JUNO, який працює саме на орбіті Юпітера. Спеціально для нього створили шість титанових екранів з товщиною стінок 10 мм, що дозволило знизити радіаційний вплив на електроніку більш ніж у 800 разів!

Не лише радіація негативно впливає на електронні компоненти у космосі. Під загрозою завжди й надійність кріплення окремих компонентів, які ризикують стати точками відмови через сильну вібрацію, особливо під час запуску. Зараз цю проблему вирішують за допомогою спеціальних аерокосмічних роз’ємів — такі випускає компанія Amphenol Aerospace.

Ще одна складність полягає в тому, щоб забезпечити термічну стійкість: критично важливі компоненти повинні легко витримувати перепади температур. Коли, скажімо, з жаркого і вологого узбережжя Флориди ракета-носій вирушає у відкритий космос з його стабільним мінусом за бортом, багато матеріалів відчувають дуже сильну напругу — це теж необхідно враховувати при проєктуванні обчислювальних систем.

Також пам’ятаємо, що в космосі фактично вакуум, і це додає йому “суворості”, коли ми говоримо про використання електронних компонентів. Поміщені в умови вакууму, вони можуть поводитися зовсім інакше, ніж у звичній земній атмосфері. Щоб гарантувати працездатність після того, як вони покинуть атмосферу Землі, їх тестують у спеціальних термовакуумних камерах (TVAC) — в умовах, схожих на космічні: з екстремальними температурами і без тиску. Адже, якщо в гумовій ізоляції роз’єму ховається маленька бульбашка повітря, то у вакуумі космосу або камери вона може лопнути і пошкодити деталь.

І, звісно, є ще ультрафіолетове випромінювання, характерне для термосфери — вона починається на висоті 80-90 км і простягається до 400-500 км. Тут відбувається ультрафіолетова деградація матеріалів, здатна змінити їхні властивості аж до молекулярного складу, і зрештою призвести до руйнування. Тому МКС і супутники на низькій навколоземній орбіті використовують ще й спеціальний УФ-захист для електронних систем.

В останні кілька років космічні системи все частіше стикаються зі ще одним типом космічних загроз — кібератаками. Тому критично важливі компоненти на кшталт процесорів і модулів пам’яті слід проєктувати так, щоб ефективно їм протистояти.

Процесори, стійкі до радіації і не тільки

До мікрочипів прикута максимальна увага: в базовому виконанні вони дуже вразливі до космічної радіації та загалом агресивного середовища космосу, а збої і втрата управління ставлять під загрозу всю місію. Один із найстаріших процесорів, який можна назвати захищеним і адаптованим під використання в космосі, це RCA (CDP) 1802, вперше представлений в далекому 1972 році. На той момент він був унікальний тим, що працював на дуже низьких частотах і з мінімальним енергоспоживанням, а для космічних апаратів була випущена спеціальна версія, виконана за технологією “кремній на сапфірі” (Silicon on insulator, SOI), що забезпечує високу стійкість до іонізуючого випромінювання. Завдяки цьому процесор 1802 став головним кандидатом на встановлення в космічний апарат Galileo і масово застосовувався на штучних супутниках Землі.

На заміну моделі 1802 спочатку прийшов RAD6000, а за ним і легендарний RAD750 виробництва BAE Systems — радіаційно стійкий процесор, створений на основі чипа PowerPC 750 компанії IBM. Спочатку його розробляли, щоб мінімізувати будь-які негативні наслідки екстремального випромінювання у космосі. RAD750 витримував високі дози радіації, підтримував роботу у широкому температурному діапазоні (від -55°C до 125°C) і за продуктивністю перевершував попереднє покоління космічних процесорів удесятеро. Також він отримав удосконалену схему динамічного контролю за продуктивністю та енергоспоживанням.

RAD750 залишався основним мікрочипом для обчислювальних завдань у космосі кілька десятиліть поспіль: він став корисним у більш ніж 150 місіях, включно зі згаданим вище JUNO, а також марсоходом Curiosity, телескопом Kepler і Обсерваторією сонячної динаміки (Solar Dynamics Observatory, SDO). У всіх них була реалізована апаратна надмірність — наприклад, у Curiosity встановили два процесори RAD750, де другий брав на себе управління тоді, коли у першого виникали проблеми з флеш-пам’яттю. Передбачувано, все це коштувало NASA великих грошей: якщо PowerPC 750 вартував близько $500, то RAD750 — $200 000!

Серед останніх великих космічних проєктів за участю RAD750 — автоматична міжпланетна станція Europa Clipper для вивчення Європи, галілеєвого місяця Юпітера. Тут не вдалося обійтися використанням одного лише спеціалізованого процесора: вся електроніка бортової системи, приладні системи та інші ключові компоненти Europa Clipper поміщені в камеру зі стінками з листів алюмінієво-цинкового сплаву завтовшки 9,2 мм.

Історія використання RAD750 у космічних місіях триває десятиліттями, хоча за цей час технології значно просунулися вперед. Зрозуміло, що розробка нових процесорів для завдань NASA — дорогий і трудомісткий процес. Однак останнім часом з’являється так багато приватних ініціатив, а вимоги до обчислювальних ресурсів зростають настільки швидко, що ситуація в будь-якому випадку буде змінюватися. Про це свідчить хоча б те, що ще в 2022 році американське космічне агентство вибрало компанію Microchip для розробки високопродуктивного процесора (HPSC) PIC64, що відповідає актуальним потребам космічної галузі. При цьому він має підходити як для тривалих, так і для коротких місій, підтримувати нові стандарти та програмне забезпечення з відкритим кодом. Закономірно, що продуктивність теж зросте: серія PIC64-HPSC від Microchip уже забезпечує стократний приріст обчислювальної потужності порівняно з традиційними космічними процесорами. А це відкриває можливості для розробки нових космічних застосунків, використання віртуалізації, а також штучного інтелекту та машинного навчання просто на борту.

Бачити невидиме: камери в космосі

Ми б знали про Всесвіт у рази менше, якби були позбавлені можливості робити в космосі фотографії у високій роздільній здатності — за допомогою як телескопів, так і традиційного фотообладнання. Від камер Hasselblad у руках астронавтів Apollo до приголомшливих знімків, зроблених телескопом Hubble — в абсолютній більшості місій отримують зображення Всесвіту, які надалі стали в пригоді у наукових дослідженнях і задовольняють нашу цікавість. Крім того, саме NASA справило найсильніший вплив на цифрову фотографію на Землі — наприклад, першу концепцію цифрової камери розробив інженер Лабораторії реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory, JPL) Юджин Лаллі, а пізніше в NASA продовжили працювати над створенням компактних, легких і надійних датчиків, які можна було використовувати в екстремальних умовах космосу.

У 1990-х роках учені JPL почали тестувати можливість поліпшення датчиків зображення на основі технології комплементарних метал-оксидних напівпровідників (CMOS-APS), щоб зберегти високу роздільну здатність, зробити камери ще меншими і захистити їх від радіації. Пізніше технологію вдосконалили, а розроблені на її основі мініатюрні датчики сьогодні встановлені у смартфонах, камерах ноутбуків і в медичному ендоскопічному обладнанні. І, природно, ними обладнали багато космічних апаратів — таких як марсохід Perseverance або телескопи Solar Orbiter. 

Як і у випадку з електронікою, інженерам доводиться шукати способи захистити чутливі датчики не тільки від радіації. Наприклад, щоб тримати дзеркала телескопа James Webb холодними (а вони потрібні для збору і фокусування світла з найвіддаленіших і тьмяних об’єктів), встановлюються спеціальні сонцезахисні екрани. З одного боку, вони захищають від сонячного тепла, з іншого — від нагрівання корпусу космічного корабля. Додатково вся конструкція 100 днів тестувалася в кріогенній камері, щоб гарантувати її нормальну роботу в космосі.

Астронавти на Міжнародній космічній станції регулярно знімають фото й записують відео — як з науковою, так і з просвітницькою метою. Починаючи з 2014 року, вони записують 3D-контент у високій роздільній здатності завдяки камерам RED Epic Dragon (від HDTV до 6K і частота до 300 кадрів за секунду). Утім, так само активно астронавти користуються звичайними наземними камерами Nikon, Kodak, Sony, і навіть вбудованими камерами на смартфонах iPhone та планшетах iPad. Якщо вести зйомку через ілюмінатори, камери можуть виконувати свої функції, як і на Землі, але термін їхньої служби буде в кілька разів меншим.

Довгий час основними фотоприладами на МКС були цифрові дзеркальні фотокамери Nikon, наприклад Nikon F5 і Nikon D4. Однак у 2024 році, в межах чергової комерційної місії Northrop Grumman, на борт корабля прибула велика партія Nikon Z9, які замінили попереднє покоління камер. Термін їхньої служби обмежується шістьма місяцями, оскільки вони наражаються на підвищене космічне опромінення. І це попри те, що конструкція цієї моделі була спеціально адаптована під космічні умови роботи на рівні мікросхем і керівної архітектури. А для місій за стінами станції передбачені захисні кожухи — своєрідні теплові ковдри, розроблені в NASA. Також очікується, що саме Nikon Z9 стане основною камерою в межах майбутньої місії Artemis.

Хоча Nikon залишається основним постачальником фотомодулів для NASA, на ринку космічних послуг багато інших розробок, зокрема комерційних, які не завжди обмежуються традиційною зйомкою. Так, у Phase One для роботи на низькій навколоземній орбіті розробляють CMOS-камери, які можна інтегрувати з космічними телескопами і супутниками. Вони містять радіаційно стійкі компоненти, а також вбудовану систему виявлення й відновлення несправностей, спричинених радіацією. У Dragonfly Aerospace зосереджені на розвитку технології SWIR, яка дозволяє отримувати більш чіткі зображення навіть за наявності атмосферних перешкод, принагідно надаючи спектральну інформацію, недоступну для оптичних зображень. Для використання в кубсатах компанія розробляє компактні камери (як Gecko Imager), стійкі до радіації, зібрані з вакуумно сумісних компонентів і здатні працювати за температури від -20°C до +70°C. Нещодавно з’явилися iSIM — нове покоління оптичних камер, призначених для супутників спостереження за Землею з можливістю відеозйомки. Розроблений компанією SATLANTIS, iSIM працює одночасно у видимому, ближньому інфрачервоному та короткохвильовому інфрачервоному спектральних діапазонах.

Подальше освоєння космосу важко уявити без надійної електроніки та фотообладнання, здатних витримувати величезні дози радіації, вакуум і різкі перепади температур. Ми вже пройшли шлях від аналогових ламп до потужних мікрочипів, а примітивні датчики змінилися на ті, що дозволяють зафіксувати Всесвіт у найдрібніших деталях. І хто знає, можливо, в майбутньому нас чекають ще більш стійкі та продуктивні системи, які зроблять дослідження космосу куди доступнішим і точнішим?