衛星エレクトロニクスの課題

宇宙へ行く

一部のコンポーネントにとって、 航空宇宙 の最も難しい部分は、実際にそこに到達することです。人類は、地球上での移動速度と快適性を最適化するという素晴らしい仕事をしてきました。例えば、ロールスロイスのサスペンションや豪華なプライベートジェットの座席などです。しかし、宇宙旅行にはまだ「快適さ」の復興は見られない。結局のところ、宇宙に行く上での最大の課題は、ロケットの打ち上げに伴う振動と加速です。現在のロケット技術では、多くのコンポーネントが地球上で最大14Grmsまでテストされます。これは、ロケットの打ち上げに伴う驚異的なパワー、動き、振動、音に耐えられるようにするためです。現在、すべての衛星はロケットの打ち上げによって宇宙に到達するため、衛星自体もロケットと同様の極端な力に耐えられるように設計する必要があります。本質的に、衛星科学はロケット科学と同等（あるいはそれ以上）に難しいものです。

半導体などの多くのコンポーネントは、極端な振動や加速下でも驚くほど優れた性能を発揮します。ただし、これらのコンポーネントの固定には特別な考慮が必要です。激しい振動により、接続部分が故障の原因となる場合があります。一方、電気機械部品は、打ち上げ時に特に故障しやすい傾向があり、宇宙空間に到達した後は故障する可能性が低くなります。この場合、航空宇宙コネクタに使用する相互接続を選択する際には特別な考慮が必要です。それらは、地球上のほとんどのコネクタよりもはるかに過酷な状況に耐えることができなければなりません。最先端の航空宇宙コネクタの素晴らしい例としては、 Amphenole Aerospaceの MIL-DTL-38999 シリーズIIIが挙げられます。このコネクタは、200 ℃ までの厳しい高温振動下でも動作可能です。他にも宇宙対応機能が多数搭載されています。幸いなことに、これらの振動はエンジニアが心配しなければならない永続的な設計要因ではなく、軌道速度への加速はほんの数分で達成できます。

宇宙旅行に関わるもう一つの設計上の考慮事項は、部品の耐熱衝撃性です。米国ではロケット打ち上げが頻繁に行われる、太陽が降り注ぐ湿気の多いフロリダの海岸から、-100℃（-148℉）の極寒の宇宙空間まで移動することは、熱伝導率の高い材料にとって特に困難な場合があります。これは、温度が急激に変化し、材料内に壊滅的な応力が生じる可能性があるためです。

宇宙の環境

しかし、衛星が宇宙空間に打ち上げられた後は、その衛星が留まる環境についてまったく異なる設計上の考慮を行う必要があります。アイスランドの生態系がフランス領ポリネシアの生態系と異なるのと同じように、宇宙環境も地球からの距離に応じて大きく異なります。電子システムが宇宙のどこに設置されるかに応じて、その居住環境によって生じる課題に対応するために、非常に異なる考慮を行う必要があります。

宇宙の圧力

宇宙は真空です。地球上の大気圧と比較すると、圧力はほぼゼロです。衛星内のすべての部品は地球上で製造されるため、製造中に経験した大気圧を本質的に受けます。ただし、これらのコンポーネントを真空中に置くと、大気圧のときとはまったく異なる動作をする可能性があります。部品が宇宙でも長持ちすることを保証するには、宇宙の温度と無圧力状態をシミュレートする熱真空チャンバー (TVAC) で各部品をテストする必要があります。たとえば、製造上の欠陥により、コネクタの絶縁ポッティングゴムの内部に小さな気泡が封入されていた場合、その気泡は真空状態で壊滅的な爆発を引き起こす可能性があります。

さらに、すべての材料は真空下でガスを放出するため、比較的大量のガス状物質が放出され、隣接するコンポーネントに重大な障害を引き起こす可能性があります。たとえば、ガス放出物質は熱アレイや太陽電池アレイをコーティングすることができます。これにより、効率に悪影響が及ぶ可能性があり、センサーや光学系が曇ったり、隣接する材料の重要な熱特性が損なわれることもあります。多くの場合、宇宙に放出されるガス放出物質の量を減らすために、衛星の材料や電気部品は宇宙に送られる前にTVACチャンバーでガス放出されます。

紫外線による劣化

国際宇宙ステーションを含むほとんどの低軌道衛星は熱圏内に存在します。これらの領域では、紫外線による劣化が電子部品の材料特性に悪影響を及ぼします。UV劣化は、酸素含有材料から酸素原子を除去することにより、材料の分子組成を変えることさえあります。その結果、熱制御サブシステムが適切に機能しなくなり、光学系が劣化し、太陽電池アレイの効率が低下する可能性があります。低軌道に留まる衛星は、電子システムに特殊な紫外線遮蔽を利用する必要があります。これは、UVによる劣化が発生してコンポーネントが動作不能になることを防ぐためです。

粒子の存在

熱圏は地球表面から約85 kmから500 km上にあります。一方、中性環境全体は100 kmから1000 km上であり、熱圏と外気圏の両方が含まれます。この環境では、酸素、窒素、ヘリウムの分子が大量に存在します。しかし、衛星材料の紫外線劣化を引き起こす太陽からの同じ紫外線エネルギーは、酸素、窒素、ヘリウムの分子劣化も引き起こし、それぞれの原子バージョンを形成します。原子状酸素は宇宙船を酸化させ、最終的には材料の侵食を引き起こす可能性があります。そのため、宇宙環境への露出に応じてコンポーネントを選択する際には特別な注意を払う必要があります。

イオンの存在

ヴァン・アレン放射線帯と呼ばれる地球近傍空間の2つの特定の領域では、電子とイオンが地球の磁場の特定の帯に閉じ込められています。これらの帯は、地球の表面から500 kmから6000 kmおよび13000 kmから60000 kmのところに存在します。これらの条件によりプラズマ環境が形成され、太陽の電荷を帯びた粒子が原子と相互作用してイオンと自由電子が生成されます。地球の磁場に閉じ込められたこれらの荷電粒子は衛星に着地し、静電気エネルギー（カーペットの上で足をこすったとき）に似た電荷の蓄積を作り出す可能性があります。この蓄積が衛星の孤立した領域で発生すると、電気勾配が発生し、蓄積されたエネルギーによって最終的にアークが発生する可能性があります。多くの電子部品はアーク放電に対して非常に敏感であるため、壊滅的なアーク放電を防止するために電子システムのレイアウトに特別な注意を払う必要があります。

放射線環境

地球上では、太陽からの放射線は一般に大気中の粒子によって吸収され、大気の特定の層は特定の放射線帯域を吸収します。ただし、特定の衛星軌道は非常に高い放射線環境の影響を受けやすくなります。これにより、単一の陽子または中性子、あるいは太陽や銀河宇宙線から放出された電子が物質を通過できる望ましくない状況が生じる可能性があります。シングルイベントアップセットの最も一般的な発生源は銀河宇宙線ですが、これらの荷電粒子への曝露には他の形態も存在する可能性があります。地球の磁気圏外にある衛星は、特にこうした自由粒子放射線環境の影響を受けやすい。一般的に、磁気圏はこれらの放射線現象から地球を保護します。高度と傾斜角が低い衛星は、磁気圏によって十分に保護されているため、太陽活動の影響を受ける可能性が低くなります。

残念ながら、これらの自由粒子はシングル イベント アップセット (バイナリ0を1に切り替える) を引き起こす可能性があり、センサーが実際の信号と正反対の信号を読み取る可能性があり、プログラムに誤った影響を与える可能性があります。また、これらの荷電粒子は、プロセスのラッチング ウィンドウ中にCPUメモリに保存されたデータを破損させる可能性があります。これにより、CPUに修復不可能な損傷が発生する可能性があります。地球上のほぼすべてのプロセスでCPU速度が上昇するため、宇宙のCPUではより高いクロック速度が実現されることはほとんどありません。これは、速度が上がると（つまり、ラッチ ウィンドウが増えると）、CPUがより脆弱になるためです。科学者たちは、半導体材料を「硬化」させることでこの問題を軽減してきました。つまり、シリコンよりも放射線の影響を受けにくいサファイアやガリウムヒ素を使って半導体材料を製造するのです。しかし、このように半導体を強化するには、半導体ファウンドリの全面的な見直しが必要となり、莫大なコストがかかります。

RHBDなどの他の手法では、標準的なCMOS製造を実装し、冗長性を構築して放射線に対する耐性を実現します。たとえば、トリプル モジュラー冗長化では、メモリ内のすべてのビットの同一のコピーを3つ作成します。読み取り中は、3つのコピーすべてが読み取られ、多数決で「正しい」コピーが選択されます。これにより、単一の粒子がメモリを破壊する可能性が減少します。読み取り段階で誤検知を起こすには、2つの粒子が、チップ上の異なる場所にある2つの異なる同一ビット コピーと同時に相互作用する必要があります。

結論

宇宙のさまざまな領域にはさまざまな環境要因が存在し、電子機器にとってほとんど住みにくい環境となっています。衛星上のシステムの故障を防ぐためには、広範囲にわたる予防措置を講じる必要があります。これは特に重要です。航空宇宙工学では、展開した衛星をそのまま「修理工場」に持ち込むことはできないからです。あらゆる衛星の極めて高度な専門性には、関係するほぼすべてのエンジニアによる広範な追跡、設計上の考慮、および細心の注意を払った正確さが求められます。