Техника для космоса

Почему военные любят металлокерамические корпуса?

Долго выясняли, похоже раньше (в советские времена) пластик не выдерживал испытания по термоциклированию, был пористый (т.е. набирал влагу), и плохо переносил отрицательные температуры.

Ну и наконец — это простой способ снизить процент подделок, т.к. на рынке микросхемы в металлокерамическом корпусе не купить.

Но и у керамики есть минусы — она дороже, меньше вибростойкость и в целом от больших ускорений проволока, которой контактные площадки на кристалле соединены с выводами микросхемы, может отвалится (в пластиковом корпусе проволока «поддерживается» по всей длине пластиком).

Спутниковое ТВ

История спутникового телевидения 10 июля 1962 года: тогда в NASA запустили на орбиту первый спутник связи Telstar‑1. На следующий день с его помощью в США провели первую спутниковую трансляцию. Telstar‑1 летал по эллиптической орбите и за один виток вокруг планеты давал непрерывный сигнал в течение 20 минут — всего 2 часа 37 минут. Он мог обеспечить одну телетрансляцию или 60 телефонных звонков.

В СССР спутник такого типа назвали «Молния‑1»: впервые в космос он отправился в 1964 году, а первое телевещание произошло в 1965‑м. Советский спутник обеспечивал связь между Москвой и Владивостоком.

В том же году США запустили уже на круговую орбиту геостационарный спутник Intelsat‑1 (Early Bird): это позволило поддерживать сигнал дольше. СССР увеличить время вещания удалось двумя годами позднее: в стране создали свою сеть спутников «Орбита» — аппараты передавали сигнал по очереди.

Сначала спутники использовались только в профессиональной среде, но постепенно стали доступными всем людям. В США, например, «тарелки» начали активно устанавливать в восьмидесятые годы: сигнал тогда не кодировался и пользователи могли совершенно бесплатно смотреть любой пойманный канал. В 1994 году спутники уже обеспечивали не только аналоговое, но и цифровое вещание — количество каналов от этого выросло.

Сегодня платным телевидением пользуются более 44 миллионов семей в России, значительная часть из них получает сигнал именно через спутник. Главный секрет популярности этого типа подключения — в доступности: он позволяет смотреть множество каналов где угодно, даже в глухой деревне. Всё благодаря космическим технологиям: провайдер посылает радиосигналы на спутник, а оттуда они распространяются обратно на Землю.

Поймать сигнал можно практически в любом месте, нужна лишь антенна-«тарелка». Она улавливает сигнал из космоса, преобразует и подаёт на спутниковый приёмник, который его декодирует, превращая в картинку и звук.

Необычная форма спутниковой антенны была придумана не ради дизайна — вогнутость помогает принимать сигнал эффективнее. Он отражается от стенок «тарелки» и, благодаря поднятым краям, уходит в центр конструкции, где как раз и размещают приёмное устройство‑конверт, — это позволяет получить много информации в хорошем качестве.

Сейчас возможности спутников могут использоваться ТВ‑операторами. Например, спутниковое телевидение Триколора смотрят более 12 миллионов домохозяйств. Чтобы передавать сигнал в разные регионы России, оператор использует мощности трёх спутников.

Подключить спутниковое ТВ

Спутниковый интернет

По данным Росстата, высокоскоростным интернетом сегодня около 74% россиян. Это хороший показатель, но правдив он скорее только для городской местности. За её пределами, к примеру на дачах, покрытие как фиксированных, так и сотовых операторов резко падает, особенно в часы наибольшей нагрузки, и возникают проблемы со связью. В таких ситуациях и спасает космическая инновация — спутниковый интернет.

Долгое время существовал миф, что этот тип передачи сигнала не может обеспечить стабильным скоростным интернетом. На самом деле спутниковые операторы в России уже сейчас «разгоняют» сигнал до 200 Мбит/с. А тарифы на спутниковый интернет от Триколора со скоростью до 100 Мбит/с (этого достаточно, чтобы смотреть видео в формате Full HD и 4К) уже сейчас доступны от Калининграда до Иркутска.

Последние исследования Триколора показывают, что спутниковый интернет подключают в основном для работы и общения в социальных сетях. Спрос на эту «космическую услугу» сосредоточен главным образом среди частных пользователей и особенно сильно вырос в период вынужденной самоизоляции.

Самой модной и обсуждаемой технологической новинкой в сегменте спутникового интернета стали низкоорбитальные спутники (Starlink, ONEWEB) и их возможности. Корпорация Илона Маска уже сделала целый ряд заявлений об ожидаемой революции на рынке высоких технологий. Большинство экспертов склонны считать пока этот проект авантюрным.

Хочу быстрый интернет даже на даче

GPS‑навигатор

Изображение: Serhii Kalaba / Mastak80 / Antares Light / pp.ng / BravissimoS / Maxger / STEKLO

Попросить искусственный интеллект найти дорогу в любую точку города, страны или мира и построить оптимальный маршрут сейчас кажется настолько базовой задачей, что представить жизнь без неё сложно. Но если бы не конкуренция стран в космическом пространстве и вооружениях, людям, возможно, всё ещё приходилось бы искать путь по карте.

Идея спутниковой системы навигации появилась в конце 50‑х годов в Штатах, после запуска советского «Спутника‑1». Американские учёные заметили зависимость частоты радиосигнала от положения спутника в небе: когда объект приближался — она увеличивалась, когда отдалялся — уменьшалась. В тот момент стало понятно, что по положению спутника можно определить скорость и координаты тела на Земле и наоборот. Так и разработка технологии.

Создание системы навигации было сначала исключительно военным проектом: она должна была защищать американские границы от советского вмешательства. В середине 60‑х годов технологию тестировала Лаборатория военно‑морских исследований США: были созданы и запущены шесть низкоорбитальных спутников Timation — они крутились вокруг полюсов, а сигнал от них ловили подводные лодки.

В начале 70‑х разработкой занялось уже Министерство обороны США, и в 1978 году на орбиту улетел первый спутник системы навигации NAVSTAR (позже она получила название GPS). Всего запустили 24 спутника — полный состав объектов оказался в космосе в 1993 году, целиком выполнять свои задачи комплекс в марте 1994 года, а в мае 2000‑го США открыли доступ к GPS для других стран.

Сейчас спутниковой системой навигации может воспользоваться любой человек. Она есть в смартфонах, умных часах, планшетах, ноутбуках и других девайсах. Кроме того, она помогает работать картографам, геодезистам, спасателям и представителям других профессий.

Сервисы геолокации

Первые ИНС могли занимать целую кабину самолёта. Сейчас они бывают настолько крошечными, что их видно лишь под микроскопом. В смартфоне система позволяет не только следить за локацией, но и менять ориентацию экрана — смотреть фильмы на мобильном в полном разрешении без этого было бы невозможно. Ещё один полезный сервис геолокации — поиск смартфона. Он позволяет найти и быстро вернуть потерявшийся гаджет, избежать похищения злоумышленниками личных данных.

Беспроводные девайсы

Изображение: Serhii Kalaba / AleksandrMorrisovich / pp.ng / BravissimoS / Olga Miltsova

Автомобильные пылесосы, блендеры, дрели и другая техника, работающая от аккумулятора, — дальние родственники одного космического аппарата. Его история началась в 1961 году, когда к компании Black & Decker с необычным заказом из NASA.

Для экспедиции на Луну космонавтам нужны были инструменты, работающие без подсоединения к сети: аккумуляторные приборы в то время уже существовали, их производила как раз Black & Decker. Но простой беспроводной техники для полёта в космос было недостаточно: она должна была работать мощно, эффективно и в сверхсложных условиях.

В итоге, проведя много различных испытаний, в Black & Decker создали аккумуляторный перфоратор для бурения и забора лунного грунта. А во время его разработки придумали сразу несколько других проектов, основанных на этой технологии и упростивших жизнь людей на Земле, — в частности, компактный ручной пылесос и прецизионные (то есть высокоточные) медицинские инструменты.

Прочие беспроводные девайсы вроде наушников, мышек или смартфонов тоже не нуждаются в кабеле, чтобы ловить сигнал, но работают по другой технологии. В любом случае освоение космоса — это не только научное достижение и престиж для страны. Оно имеет прямое влияние на наши ежедневные дела — от ведения блога до посиделок всей семьёй перед телевизором.

Еще один миф — современные тех. процессы менее радиационно-стойкие

Шанс получить ошибку в конкретном транзисторе пропорционален его объему, а он быстро уменьшается с уменьшением технологии (т.к. транзисторы становятся не только меньше по площади, но и тоньше). Помимо этого, отмечено аномальное увеличение радиационной стойкости с современными толщинами подзатворных диэлектриков (3нм и менее).

В целом, на современных стойких тех.процессах (65нм и менее) рутинно получаются микросхемы выдерживающие дозу облучения в 1млн рад, что превышает все разумные требования по стойкости. Стойкость к защелкиванию и программным ошибкам — достигается за счет triple-well и специальных архитектурных решений.

О soft-ошибках (single-event upset)

Т.е. когда из-за ТЗЧ у нас произошло искажение содержимого памяти или логика сработала неправильно.

Бороться с этим остается только архитектурными способами — мажоритарной логикой (когда мы соединяем по 3 копии каждого нужного нам блока на некотором расстоянии друг от друга — тогда 2 правильных ответа «пересилят» один неправильный, использованием более стойких к ошибкам ячеек памяти (из 10 транзисторов, вместо обычных 6), использованием кодов коррекции ошибок в памяти, кеше и регистрах, и многим другим.

Как же влияет радиация на микросхемы

В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов Водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая солнце), ядра галактик, млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1’000’000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).

Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине — свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.

Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17 000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200км.

Электроны, гамма и рентгеновское излучение
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.

Затем — флеш/EEPROM память. Кто-то может еще помнить старые микросхемы памяти с ультрафиолетовым стиранием:

Чтобы снизить стоимость, выпускалась и версия без кварцевого окна, считавшаяся однократно-программируемой. Но народные умельцы все равно умудрялись её стирать — рентгеновским излучением. Точно такой же эффект есть и в космосе — радиация мееедленно стирает данные в eeprom/flash памяти, поэтому все активно исследуют FRAM/MRAM память для космических применений (у нас этим занимается Интеграл и Ангстрем). Не стирается от радиации также память на пережигаемых и закорачиваемых перемычках — fuse и antifuse, с этим разбирается Микрон. На западе впрочем летают и на дешевой около-гражданской eeprom, и проблем в целом не имеют.

Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий
Это самая большая проблема космической электроники — ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно.

Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — по официальной версии не-радиационно-стойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).

Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.

Бороться с защелкиванием можно несколькими способами:

1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание
2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI) — это исключает формирование биполярных паразитных транзисторов и соответственно защелкивание. Программные ошибки тем не менее все равно могут быть. Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.
3) Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.

Исторически, в СССР и России больше работали с кремнием на сапфире, а на западе — стараются как можно больше использовать обычный кремний с triple-well (чтобы совмещать с коммерческими продуктами и снижать стоимость), но и SOS/SOI тоже делают по необходимости.

Нейтроны + 10B
Бор используется для легирования кремния и в виде боросиликатного стекла для изоляции слоев металла. Проблема в том, что природный бор на 20% состоит из Бора-10, который очень хорошо реагирует с нейтронами с выделением альфа-частицы прямо в сердце микросхемы. Это приводило к ошибкам работы микросхем, особенно памяти.

Нейтроны получаются как вторичная радиация, или прилетают от земли, как мы помним в космической радиации их нет.

Эта одна из проблем которую удалось решить — используя для производства микросхем только изотоп 11B. Теперь нейтроны практически беспрепятственно проходят через микросхему, не вызывая ошибок. Это свойство бора кстати используется для экстренной остановки атомных реакторов — в него заливают борную кислоту, обогащенную изотопом 10B — альфа частицы там не проблема.

Перейдем теперь к паре интересных мифов:

Что за история с арестом людей, продававших микросхемы из США в Россию?

Сам по себе экспорт из США даже микросхем класса Military/Space не является проблемой — это может делаться вполне легально при прохождении соответствующей бюрократии. Проблемой является предоставление подложных документов о конечном использовании, чтобы избежать лишних сложностей по получению необходимых разрешений.

Список микросхем (стр 20, вероятно неполный, как минимум пара пунктов в начале списка отсутствуют) вызвал у всех недоумение — космических там не было, из самого крутого — EV10AQ190CTPY — Quad 10-bit 1.25 Gsps ADC.

Но самое главное в этой истории то, что за всеми этими товарищами и фирмами следили с самого начала — вся переписка, разговоры и проч. Соответственно, читаем предыдущий раздел статьи о «закладках» и возможном снижении надежности.

Обсуждается тема тут (только для зарегистрированных пользователей).

Как разрабатывают космические и военные микросхемы

Из предыдущей статьи мы уже знаем, что микросхемы не растут на деревьях, разрабатывать их долго и дорого. Это в полной мере относится и к военным и космическим микросхемам. Ситуация тут однако усугубляется мелкосерийностью — и по своей инициативе что-либо разрабатывать заводу становится крайне сложно: потратить условно 1млн$ на разработку, а покупателям нужно всего 10 микросхем. За сколько их нужно продавать? 100’000$? 200’000$?

Поэтому государство финансирует ОКР на разработку нужных промышленности микросхем, и этих ОКР тьма тьмущая. Для примера можно глянуть на список ОКР одного Интеграла (там кстати и мелкие FPGA уже есть). Именно так появился и отечественный ARM — Миландр выполняя ОКР купил лицензию на Cortex-M3, cделал микроконтроллер для военных и произвел в нужном количестве, а затем — выпустил его и в гражданском варианте (и пластиковом корпусе), по конкурентоспособной цене.

Конечно, не все можно разработать с разумными затратами. Одно из больных мест — большие FPGA. Сама микросхема FPGA — не сложная в разработке, но вот софт для синтеза может быть очень сложным. В таких случаях может быть выгодным приобретение импортных микросхем в виде пластин с большим запасом, их тестирование и корпусировка. Вероятно так и появились отечественные FPGA 5576ХС4Т и 5576ХС3Т — которые программно совместимы с Altera но имеют отличающуюся распиновку.

В общем, сейчас российская электронная промышленность может разработать и произвести любую военную и космическую микроэлектронику (особенно после приобретения нового оборудования Микроном в 2007 и 2011 годах), но для этого кто-то должен эту разработку заказать и профинансировать с учетом срока разработки и изготовления в несколько лет. Или напрямую, или через государственную ОКР. Так что если вы слышите в интервью какого-нибудь руководителя слова «Вот, плохая отсталая отечественная промышленность не делает нам нужные микросхемы» это нужно понимать как «Мне лень профинансировать или выбить финансирование на создание всех нужных микросхем».

Но конечно много техники, сделанной 5-15 лет назад построены на импортных ключевых компонентах — это результат наших потерянных 90-х, когда в микроэлектронике все было совсем печально (впрочем, как и везде в то время). Вынужденное использование импортных компонент в 90-е и начале 2000-х — это конечно плохо и опасно, но выбор стоял простой- или делаем на импорте, или не делаем вообще. Последние годы за исправление ситуации с отечественной военной электроникой похоже взялись как следует, и находить оправдания для использования импортных компонент будет все сложнее.

И нужно помнить, что война — выигрывается в первую очередь на экономическом фронте. Кто эффективнее тратит ресурсы — тот и побеждает. Потому сложно упрекать оборонку в том, что мы не разрабатываем «для себя» абсолютно все, что разрабатывает весь западный мир вместе взятый — везде нужны компромиссы.

Аналогичные проблемы с военной электроникой есть и на западе — там тоже военные микросхемы стоят дорого из-за мелкосерийности (например RAD750 — 200 тыс $), и не от хорошей жизни был недавний скандал о массовых поставках поддельных микросхем для военной техники.

Космические аппараты будущего

Время на прочтение

Краткий конспект встречи с Виктором Хартовым, генеральным конструктором Роскосмоса по автоматическим космическим комплексам и системам, в прошлом гендиректором НПО им. С.А.Лавочкина. Встреча прошла в Музее космонавтики в Москве, в рамках проекта “Космос без формул”.

Полный конспект беседы.

Моя функция проведение единой научной технической политики. Я всю жизнь отдал автоматическому космосу. У меня есть некоторые мысли, я с вами поделюсь, а потом интересно ваше мнение.

Автоматический космос многогранен, и в нем я бы выделил 3 части.

1-я – прикладной, промышленный космос. Это связь, дистанционное зондирование Земли, метеорология, навигация. ГЛОНАСС, GPS это искусственное навигационное поле планеты. Тот, кто создает его, не получает никакой выгоды, выгоду получают те, кто его использует.

Съемка Земли очень коммерческая сфера. В этой области действуют все нормальные законы рынка. Спутники надо делать быстрее, дешевле и качественнее.

2-я часть – научный космос. Самое острие познания человечеством Вселенной. Понимать, как она образовалась 14 млрд лет тому назад, законы ее развития. Как шли процессы ев соседних планетах, как сделать так, чтобы Земля не стала похожа на них?

Барионная материя, которая вокруг нас — Земля, Солнце, ближайшие звезды, галактики — все это только 4-5% от общей массы Вселенной. Есть темная энергия, темная материя. Какие мы с вами цари природы, если все известные законы физики — всё только на 4%. Сейчас к этой проблеме «копают тоннель» с двух сторон. С одной стороны: Большой адронный коллайдер, с другой – астрофизика, за счет изучения звезд и галактик.

Мое мнение, что сейчас надсажать возможности и ресурсы человечства на тот же полет на Марс, травить нашу планету тучей пусков, сжигая озоновый слой – это не самое правильное действие. Мне кажется, что мы торопимся, пытаясь своими паровозными силами решить задачу, над которой работать надо не суетясь, с полным пониманием природы Вселенной. Найти следующий слой физики, новые законы, позволяющие преодолеть все это.

Сколько это будет длиться? Неизвестно, но надо нарабатывать данные. И здесь роль космоса велика. Тот же Hubble, работающий массу лет, приносит пользу, скоро будет смена James Webb. Чем научный космос отличается кардинально — это тем, что уже умеет человек, второй раз делать не надо. Нужно делать новое и следующее. Каждый раз новая целина – новые шишки, новые проблемы. Редко научные проекты делаются в тот срок, который планировали. Мир к подобному относится достаточно спокойно, кроме нас. У нас есть закон 44-ФЗ: если не сдал вовремя проект — то сразу штрафы, разоряющие фирму.

Но у нас уже летает “Радиоастрон”, которому в июле будет 6 лет. Уникальный спутник. У него 10-метровая антенна высокой точности. Главная его особенность в том, что он работает вместе с наземными радиотелескопами, причем в режиме интерферометра, и очень синхронно. Ученые просто плачут от счастья, особенно академик Николай Семенович Кардашев, который в 1965 году издал статью, где он обосновал возможность этого опыта. Над ним смеялись, а сейчас он счастливый человек, который задумал это и видит сейчас результаты.

Хотелось бы чтобы наша космонавтика почаще счастливила ученых и запускала побольше таких передовых проектов.

Следующий “Спектр-РГ” находится в цехе, работа идет. Он полетит на полтора миллионов километров от Земли в точку L2, мы там впервые будем работать, ждем с неким трепетом.

3-я часть – «новый космос». О новых задачах в космосе для автоматов на околоземной орбите.

Обслуживание на орбите. Это инспекция, модернизация, ремонты, заправка. Задача очень интересная с точки зрения инженерии, и для военных интересно, но экономически очень дорогая, пока возможность обслуживания превышает стоимость обслуживаемого аппарата, поэтому такое целесообразно для уникальных миссий.

Когда спутники летают столько, сколько хочешь, возникает две проблемы. Первая – аппараты морально стареют. Спутник живой еще, а на Земле уже сменились стандарты, протоколы новые, диаграммы и так далее. Вторая проблема – кончается топливо.

Разрабатываются полностью цифровые полезные нагрузки. Путем программирования им можно менять модуляцию, протоколы, назначение. Вместо спутника связи аппарат может стать спутником-ретранслятором. Эта тема очень интересная, я уж про военное применение не говорю. А также она снижает производственные затраты. Это первый тренд.

Второй тренд – это заправка, обслуживание. Сейчас уже ставятся опыты. Проекты предполагают обслуживание спутников, которые делались без учета этого фактора. Кроме заправки будет отрабатываться еще и доставка дополнительной полезной нагрузки, достаточно автономной.

Следующий тренд – многоспутниковость. Постоянно растут потоки. Добавляется М2М – этот интернет вещей, системы виртуального присутствия, и многое другое. Все хотят пользоваться потоками с мобильных устройств, с минимальными задержками. На низкой орбите у спутника снижаются требования по мощности, снижаются объемы аппаратуры.

SpaceX подала в федеративную комиссию по связи США заявку на создание системы на 4000 космических аппаратов для мировой высокоскоростной сети. В 2018 году OneWeb начинает развертывать систему, состоящую сначала из 648 спутников. Недавно расширили проект до 2000 спутников.

Примерная такая же картина наблюдается в области ДЗЗ – нужно в любой момент времени видеть любую точку планеты, в максимальном количестве спектров, с максимальными деталями. Нужно поместить на низкую орбиту чертову тучу мелких спутников. И создать супер-архив, куда будет сбрасываться информация. Это даже не архив, а актуализированная модель Земли. И любое количество клиентов может брать то, что им надо.

Но картинки – это первый этап. Всем нужны данные обработанные. Это та область, где есть простор для творчества — как из этих картинок, в разных спектрах, «намыть» прикладные данные.

Но что значит многоспутниковая система? Спутники должны быть дешевыми. Спутник должен быть легким. Заводу с идеальной логистикой ставят задачу производить по 3 штуки в день. Сейчас делают один спутник в год или в полтора. Нужно научиться решать целевую задачу, используя эффект многоспутниковости. Когда спутников много, они могут решать задачу как один спутник, например создать синтезированную апертуру, вот как «Радиоастрон».

Еще один тренд – перевод любой задачи в плоскость вычислительных задач. Например, радиолокация входит в острое противоречие с идеей маленького легкого спутника, там нужна мощность, чтобы сигнал послать-принять и прочее. Есть только один способ: Землю облучает масса аппаратов — ГЛОНАСС, GPS, спутники связи. Все светят на Землю и что-то от нее отражается. И тот, кто научится из этого мусора вымывать полезные данные, тот и будет царем горы в этом деле. Это очень сложная вычислительная задача. Но она того стоит.

Так как спутники малые, то сразу возникает вопрос: «а мусора же вокруг Земли и так много»? Сейчас есть международный мусорный комитет, где принята рекомендация, гласящая, что спутник должен за 25 лет точно сойти с орбиты. Для спутников на высоте 300-400 км это нормально, они об атмосферу тормозят. А аппараты OneWeb на высоте 1200 км будут летать, сотни лет.

Борьба с мусором – это новое применение, которое создало человечество само себе. Если мусор мелкий, то его нужно накапливать в какой-то большой сети или в пористом куске, который летает и впитывает мелкий мусор. А если крупный мусор, то его незаслуженно называют мусором. Человечество потратило деньги, кислород планеты, вывело в космос ценнейшие материалы. Половина счастья — его уже вывели, поэтому можно применить его там.

Есть такая утопия, с которой я ношусь, некая модель хищника. Аппарат, который достигает этот ценный материал, в некоем реакторе превращает его в субстанцию типа пыли, и часть этой пыли применяют в гигантском 3д-принтере, чтобы создать часть себе подобного в будущем. Это пока далекое будущее, но эта идея решает задачу, потому что любая погоня за мусором — главное проклятие – баллистика.

Мы не всегда чувствуем, что человечество очень ограничено, с точки зрения маневров возле Земли. Поменять наклон орбиты, высоту — это колоссальные затраты энергии. Нам сильно испортила жизнь яркая визуализация космоса. В фильмах, в игрушках, в «Звездных Войнах», где люди так непринужденно туда-сюда летают и все, воздух им не мешает. Медвежью услугу нашей отрасли оказала эта «правдоподобная» визуализация.

Мне очень интересно узнать мнение по поводу изложенного. Потому что сейчас в нашем институте мы проводим компанию. Я собирал молодежь и тоже самое говорил, и предложил каждому написать эссе на эту тему. Наш космос ведь обрюзг. Опыт получен, но наши законы, как вериги на ногах, иногда очень мешают. С одной стороны, они писаны кровью, всё понятно, а с другой: через 11 лет после запуска первого спутника человек ступил на Луну! С 2006 по 2017 гг. ничего не поменялось.

Давала право на ошибку

Да. Система признавала, что риск есть, и находились люди, которые ставили свое будущее на карту. «Я принимаю решение, что Луна твердая» и так далее. Над ними не было механизма, который мешал бы принимать такие решения. Сейчас NASA жалуется «Бюрократия все придавила». Возведено в фетиш стремление к 100% надежности, но это бесконечная апроксимация. И никто не может принять решение потому что: а) нет таких авантюристов, кроме Маска, б) созданы механизмы, которые не дают права на риск. Все скованны предыдущим опытом, который материализован в виде нормативных актов, законов. И в этой паутине космос двигается. Явный прорыв, который есть за последние годы — это тот же самый Илон Маск.

Мои домыслы на базе некоторых данных: это было решение NASA вырастить такую компанию, которая не боялась бы рисковать. Илон Маск иногда завирается, но дело делает и движется вперед.

Из того, что вы рассказали, что разрабатывается в России сейчас?

У нас есть Федеральная космическая программа и у нее две цели. Первая – удовлетворить потребности федеральных органов исполнительной власти. Вторая часть – научный космос. Это «Спектр-РГ». И мы должны через 40 лет вновь научиться возвращаться на Луну.

К Луне почему этот ренессанс? Да потому что на Луне в районе полюсов замечено какое-то количество воды. Проверка того, что там есть вода — важнейшая задача. Есть версия, что ее кометы натаскали за миллионы лет, тогда это особенно интересно, ведь кометы прилетают с других звездных систем.

Мы вместе с европейцами выполняем программу «ЭкзоМарс». Был старт первой миссии, мы уже долетели, и «Скиапарелли» благополучно вдребезги разбился. Ждем, когда туда прилетит миссия №2. 2020 год пуск. Когда две цивилизации сталкиваются в тесной «кухне» одного аппарата проблем много, но уже стало легче. Научились работать в команде.

Вообще научный космос — это то поле, где человечеству нужно работать вместе. Он очень дорогой, прибыли не дает, и поэтому крайне важно научиться складывать силы финансовые, технические и интеллектуальные.

Получается все задачи ФКП решаются в современной парадигме производства космической техники.

Да. Совершенно верно. И до 2025 года — это интервал действия этой программы. Конкретных проектов нового класса нет. Есть договоренность с руководством Роскосмоса, если будет проект доведен до правдоподобного уровня, тогда поставим вопрос включения в федеральную программу. Но в чем разница: у нас у всех желание припасть к деньгам бюджета, а в США есть люди, которые свои деньги готовы вкладывать в такое дело. Я понимаю, что это глас вопиющего в пустыне: где наши олигархи, вкладывающие в такие системы? Но не дожидаясь их мы ведем стартовые работы.

Я считаю, что здесь как раз нужно два клича кликать. Сначала искать такие прорывные проекты, команды, которые готовы их реализовывать и тех, то готов в них вкладываться.

Я знаю, что есть такие команды. Мы с ними консультируемся. Мы вместе помогаем им, чтобы они вышли на реализацию.

Планируется ли радиотелескоп на Луне? И второй вопрос по поводу космического мусора и эффекта Кеслера. Эта задача актуальна, и планируются ли приниматься какие-то меры по этому поводу?

Начну с последнего вопроса. Я же говорил, что человечество очень серьезно к этому относится, ведь оно создало мусорный комитет. Спутники нужно уметь сводить с орбиты или отводить на безопасные. А так нужно делать надежные спутники, чтобы они «не помирали». А впереди такие футуристические проекты, про которые я говорил ранее: Большая губка, «хищник», и т.п.

«Мина» может сработать в случае какого-то конфликта, если военные действия пойдут в космосе. Поэтому надо за мир в космосе бороться.

Вторая часть вопроса про Луну и радиотелескоп.

Да. Луна — с одной стороны классно. Вроде бы в вакуум, но вокруг нее существует некая пылевая экзосфера. Пыль там крайне агрессивная. Какого рода задачи можно решать с Луны — это еще надо разобраться. Не обязательно ставить большущее зеркало. Есть проект — корабль опускается и от него бегут в разные стороны «тараканы», который тащат кабели, и в результате получается большая радиоантенна. Некоторое количество таких проектов лунных радиотелескопов гуляет, но прежде всего нужно ее изучить и понять.

Пару лет назад Росатом заявил, что готовит чуть ли не эскизный проект ядерно-двигательной установки для полетов, в том числе к Марсу. Эта тема как-нибудь развивается или заморожена?

Да, она идет. Это создание транспортно-энергетического модуля, ТЭМ. Там стоит реактор и система преобразовывает его тепловую энергию в электрическую, и задействованы очень мощные ионные двигатели. Есть с десяток ключевых технологий, вот по ним идет работа. Достигнут весьма существенный прогресс. Практически полностью ясна конструкция реактора, практически созданы очень мощные ионные двигатели по 30 кВт. Недавно видел их в камере, идет отработка. Но главное проклятие — это тепло, надо сбросить 600 кВт – та еще задача! Радиаторы под 1000 кв м. Сейчас работают над поиском других подходов. Это капельные холодильники, но они еще находятся в ранней фазе.

Ориентировочно есть какие-то даты?

Демонстратор собираются где-то в пределах до 2025 года запустить. Стоит такая задача. Но это зависит от нескольких ключевых технологий, по которым идет отставание.

Вопрос возможно полушуточный, но какие ваши мысли про известно электромагнитное ведро?

Про этот двигатель знаю. Я же вам сказал, что с тех пор как я узнал, что есть темная энергия и темная материя, я перестал полностью базироваться на учебнике физики за среднюю школу. Немцы ставили опыты, они точный народ, и видели, что эффект есть. А это полностью противоречит моему высшему образованию. В России как-то делали эксперимент на спутнике «Юбилейный» с двигателем без отброса массы. Были за, были против. После испытаний обе стороны получили твердейшие подтверждение своей правоты.

Когда запускали первый «Электро-Л», в прессе были жалобы, тех же метеорологов, что спутник не удовлетворяет их нуждам, т.е. спутник ругали еще до того, как он сломался.

Он должен был работать в 10 спектрах. В части спектров, в 3-х, по-моему, качество картинки было не то, которое идет с западных спутников. Наши пользователи привыкли к полностью товарным продуктам. Если бы других картинок не было, то метеорологи были бы счастливы. Второй спутник в существенной степени доработан, улучшена математика, так что сейчас они вроде как удовлетворены.

Продолжение «Фобос-Грунта» «Бумеранг» — будет ли это новый проект или это будет повторение?

Кстати, знаете, что японцы собираются реализовать свой «Фобос-Грунт»?

Они не знают еще, что Фобос очень страшное место, там все гибнут.

У них был опыт с Марсом. И там тоже много чего погибло.

Тот же Марс. До 2002 года Штаты и Европа имели, кажется, 4 неудачных попытки добраться до Марса. Но они проявили американский характер, и каждый год пуляли и выучились. Сейчас же они делают чрезвычайно красивые вещи. Я был в Jet Propulsion Laboratory на посадке марсохода Curiosity. Мы к тому времени уже угробили «Фобос». Вот где я плакал, практически: у них спутники летают вокруг Марса давно. Они так выстроили эту миссию, что пришло фото парашюта, который открылся в процессе посадки. Т.е. они со своего спутника смогли данные получить. Но это путь не простой. У них было несколько провальных миссий. Но они продолжали и сейчас достигли определенных успехов.

Миссия, которую они разбили, Mars Polar Lander. У них причина неудачи миссии была «недофинансирование». Т.е. госслужбы посмотрели и сказали, мы вам денег не додали, мы виноваты. Мне кажется, что это практически невозможно в наших реалиях.

Не то слово. У нас надо найти конкретного виновника. На Марсе нам надо догонять. Конечно еще есть Венера, которая до сих пор числилась российской или советской планетой. Сейчас с США идут серьезные переговоры о том, чтобы вместе сделать миссию к Венере. США хотят посадочные модули с высокотемпературной электроникой, которые будут нормально работать при больших градусах, без теплозащиты. Можно аэростаты или самолетик сделать. Интересный проект.

Выражаем благодарность Московскому музею космонавтики за возможность встречи, и научно-популярному порталу Индикатор за видео и трансляцию.

Следующая встреча “Космос без формул”, в четверг 25 мая будет посвящена пилотируемым космическим станциям. Эксперт — Владимир Бранец. Беседа обещает быть очень содержательной.
Место проведения: Музей космонавтики.
Время: 25 мая, четверг 18:30.

Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам

В первую очередь — повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон — существенно шире, т.к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.

Затем — стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва — ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.

И наконец — если микросхема для космоса — стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации (об этом подробнее ниже).

Резюме

Использование гражданских микросхем в космосе ограничено эффектом защелкивания, и возможно в лучшем случае на низких орбитах. На высоких орбитах и в дальнем космосе — нужны специальные радиационно-стойкие микросхемы, т.к. там мы лишены защиты магнитного поля земли, а от высокоэнергетических частиц космической радиации не спасет и метр свинца.

В импортных микросхемах «закладки» с дистанционным отключением сделать малореально, а вот снизить надежность и срок службы вполне возможно.

После темного десятилетия 90-х, в последнее годы начали наконец появляться относительно сложные отечественные микросхемы — микроконтроллеры, FPGA (мелкие — свои, крупные — из импортных пластин со своей корпусировкой и тестированием), процессоры (Комдив-ы, Эльбрус, МЦСТ R500, Миландровские ARM-ы). Ведется работа по условно «прорывным» технологиям военного назначения (рад.стойкая FRAM).

Так что если не случится конец света в этом году, все меньше военной и космической техники будет выходить с микросхемами «Made in Taiwan» и реже автоматические межпланетные станции будут бороздить просторы океана.

Буду рад услышать об ошибках и дополнениях — они здесь безусловно будут нужны.

О «закладках»

Очень часто приходится слышать о «закладках» — магической кнопке, которой можно выключить импортные микросхемы. Конечно, все не так просто — от внешних радиосигналов электронка все равно защищена, и сигнал еще нужно умудриться подать.

Но вот что возможно — это снизить надежность поставляемых нам микросхем. Как известно, надежность — уже лет 10 как является результатом компромисса со скоростью и тепловыделением. И пути повышения и снижения надежности очень хорошо изучены: достаточно например не добавлять 1% меди в алюминиевые соединения, или отжигать микросхему не в дейтерии, а в водороде — и срок службы сократиться в 10 раз. Обнаружит ли это тестирование — еще вопрос.

Кроме того, использование импортных компонент в ключевых системах — это зависимость, которая может дорого стоить (и уже обходится дорого, т.к. покупать такие компоненты приходится с запасом). Ну и покупая микросхемы за рубежом — мы помогаем иностранным предприятиям решить их проблемы с мелкосерийностью

Некоторая опасность есть и в изготовлении микросхем на отечественных заводах, в случае если маски изготовляются за рубежом — мало того, что их теоретически можно скопировать и изучить, маски можно и модифицировать — компании вроде Chipworks вполне способны на это (например можно снизить надежность, нарушив работу мажоритарной логики или повредив работу структур коррекции ошибок). Обнаружить такие модификации будет очень сложно — не уверен, что готовые маски досконально сверяют с их электронным оригиналом.

О категориях микросхем

На западе микросхемы делятся на категории commercial, industrial, military и space.

Commercial — обычные, самые массовые микросхемы для домашних и офисных продуктов, обычно рассчитанные на диапазон температур 0..75C.

Industrial/Military — те же обычные микросхемы, но с дополнительным тестированием, рассчитанные на чуть более широкий температурный диапазон(-40..125С например) и опционально — в металлокерамическом корпусе (микросхемы, не прошедшие дополнительные тесты — могут быть проданы как Commercial).

Space — радиационно-стойкие микросхемы для космического применения, тут уже металлокерамический корпус скорее правило. На микросхемы Military и особенно Space существуют существенные ограничения на продажу заклятым друзьям — нужно получать специальные разрешения, и нам их если и продают — то только для гражданской техники (например условно гражданский ГЛОНАСС).

В России — все разделено несколько по другому: микросхемы продаются с приемкой 1 (т.н. приемка ОТК — отдела технического контроля, когда сам завод тестирует микросхемы), приемкой 5 (приемка заказчика, в случае военных — военный представитель контролирует тесты) и приемка 9 (когда к работам привлекается только наиболее квалифицированный персонал — для космоса и ядерных электростанций). Сама по себе приемка 5/9 не означает, что микросхема радиационно-стойкая — стойкость к спец.факторам указывается в (не публичной) документации на микросхему.

Вот эти дополнительные тесты, керамический корпус и мелкосерийное производство (когда стоимость разработки делится не на 1млн микросхем, а на 100) и приводят к тому, что военная/космическая микросхема стоит минимум в 10 раз дороже гражданской, а максимум — может и по 100’000$ за штуку стоить.

Однако не любую микросхему можно поставить в Российскую военную технику — существует список отечественных (в «отечественные» входят и Белорусские микросхемы из Интеграла) электронных компонент, которые можно использовать при создании техники, где все перечислено поименно. Если какой-то завод создает новую микросхему — то до попадания в этот список её нельзя будет использовать. Для общего развития и оценки, сколько всего производит отечественная промышленность, можно глянуть на список 2010-го года тут, и 2011.

Использование импортных микросхем требует индивидуального разрешения (с соответствующей формальной бюрократией о том, что отечественных аналогов нет, но как появятся — обязательно будем их использовать).

А давайте спутник в радиационную защиту завернем, и гражданские микросхемы поставим

Природа с усмешкой смотрит на игрушечные ускорители элементарных частиц зверолюдей — на большом адронном коллайдере ими были (вернее будут) достигнуты жалкие энергии в 7 TeV для протонов, и 574 TeV для ионов свинца. А с галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*1020 eV, т.е. 300000000 TeV. Откуда берутся такие частицы еще вопрос, т.к. это выше теоретического предела энергии космических частиц Грайзена — Зацепина — Кузьмина. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.

Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты — она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге — чем толще защита из тяжелых элементов — тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.

Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий — оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.

И наконец, давайте взглянем на конструкцию рентгеновской трубки:

Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним — генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения. Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю — то наша радиационная защита и превратится в такую-вот естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами.

Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле — в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т.к. его разбить можно только на субатомные частицы — а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.

Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того — чем больше защиты — тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм Алюминия. Самое сложное что есть — это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) — но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.

Микроэлектроника для космоса и военных

Возможное, многие из вас думали после ситуации с Фобос-Грунтом — что такого особенного в микросхемах для космоса и почему они столько стоят? Почему нельзя поставить защиту от космического излучения? Что там за история с арестом людей, которые микросхемы экспортировали из США в Россию? Где все полимеры?

На эти вопросы я и попробую ответить в этой статье.

Disclaimer: Сведения получены из открытых источников и могут быть не вполне точными. Я лично с военной электроникой не работаю, а кто работает — те статьи писать не могут. Буду рад дополнить и исправить статью.