【導讀】作為人類深空探測最熱門的焦點，火星近來“訪客”不斷。2021年5月15日，一輛以中國神話傳說中火神命名的小車——“祝融號”跨越4.5億公里浩瀚宇宙，成功登陸火星北半球的烏托邦平原。
而就在前不久，為了尋找古代微生物生命的蹤跡，行星探測器“毅力號”也進入火星稀薄的大氣層，面對深空高能輻射和極端冷熱循環(huán)等挑戰(zhàn)，探測器已經(jīng)開始了各種收集巖芯樣本并進行實驗。“毅力號”科學探測器的重量不到2300磅，采用抗輻射技術，將為人類未來探索太陽系鋪平道路。
值得一提的是，這樣的前沿探索研究是一個全面的跨學科大型科研合作，其中很大部分工作需要電子工程師的參與。ADI通過與NASA/JPL合作，在毅力號上就有63個ADI元器件，從傳感器、電源到關鍵信號鏈器件。由于工作在太空環(huán)境，面臨各種極端情況，而且可靠性、穩(wěn)定性要求特別高，需要必須能夠承受宇宙射線的輻射，以及能在遠超工業(yè)或汽車等常見苛刻環(huán)境下長期可靠工作的器件性能要求。本文將以ADI在“毅力號“及相關宇航項目中應用的經(jīng)驗，談談電子系統(tǒng)如何滿足極端應用環(huán)境的系統(tǒng)設計。
宇宙極端環(huán)境對探測設備提出嚴峻挑戰(zhàn)
登陸火星具體有什么要求？首先，火星上的環(huán)境就和地球大不相同，重力低（火星質量約為地球的九分之一、表面重力約為地球的38%），氣壓低（星球表面大氣層薄，氣壓偏低，約為地球表面氣壓的0.6%），溫差大（表日夜溫差很大，某些地區(qū)地表溫度白天可達28℃，夜晚可低至-132℃，平均-52℃，）還經(jīng)常有全球性的沙塵暴。總之環(huán)境相當不友好，這對火星車及搭載的電子系統(tǒng)設備要求自然也就高了。
車上的各個組件都得適應這些惡劣的環(huán)境，尤其是嬌貴的各種電子器件、傳感器，，一般工業(yè)級電氣元器件的工作溫度是-25℃~70℃，超過這個范圍后器件壽命會大幅度縮短，性能參數(shù)下降甚至不工作，面對火星最低能到-132℃的溫度，對器件要求就更嚴峻了。除了溫度波動，還有不一樣的重力環(huán)境、地面和沙塵暴帶來的振動，這些對于電子器件來說也是不小的考驗，最終能在火星車正常工作的器件，都必須精挑細選。
這個曾經(jīng)流經(jīng)火星表面的河道填滿的隕石坑是“毅力”號著陸點
說到外太空環(huán)境，輻射絕對是避不開的一個話題，太空輻射會產(chǎn)生隨機錯誤，重置處理設備，甚至損壞組件。常見的輻射影響有：單事件效應（SEE），即單個離子或粒子撞擊設備的特定區(qū)域會導致各種奇怪的現(xiàn)象和錯誤；總電離劑量（TID），即電離輻射在其整個使用壽命中對部件產(chǎn)生的長期累積影響，可能導致偏移，例如某些組件上的電源電流增加；位移損壞（DD），即中子等大顆粒會破壞硅芯片的晶體結構，從而造成物理損壞；等等。
輻射測試了解電子系統(tǒng)在輻射環(huán)境下的穩(wěn)定可靠性
知道為什么要進行輻射測試之后，我們來看看可能遇到的不同輻射效應。
一般可觀察到兩種類型的效應，即累積效應和單粒子效應。累積效應發(fā)生在較長時間內，設備反復暴露于輻射之下，性能開始以某種方式發(fā)生轉變。受累積效應影響，設備復位或斷電后重啟不會使設備返回到標稱工作狀態(tài)。這些累積效應導致設備性能出現(xiàn)半永久性到永久性的變化。之所以說“半永久性”，是這種情況下輻射引起的效應不會因為設備復位或斷電后重啟而消除，但可能隨著時間推移或暴露于高溫而消失。
輻射效應——累積效應和單粒子效應
累積效應主要分總電離劑量（TID）和位移損傷。TID效應通常發(fā)生在設備使用壽命中的很長一段時間內。當測試TID效應時，設備暴露于輻射下直至達到一定的劑量。劑量決定所執(zhí)行的TID測試類型。一般來說，小于或等于30mrad/s的輻射量被認為是低劑量率(LDR)，50到300 rad/s范圍內的輻射量被認為是高劑量率(HDR)。30 kRad到100 kRad的總電離輻射劑量是相當常見的。目的是讓設備暴露于大量輻射下，以測量其在太空應用中的使用壽命。
累積效應——TID和位移損傷
通常會在輻射暴露之前對設備進行測試以建立基線性能。然后將其暴露于特定劑量率的輻射（LDR或HDR）下并持續(xù)一段時間，以達到所需的總電離輻射劑量。暴露于輻射之后，對設備重新測試以確定其性能的任何變化。在輻射暴露期間，設備將被調整到正常工作模式，以模擬設備在太空應用中的工作條件。
位移損傷是指輻射離子撞擊設備，并因此使組成設備的材料中的原子發(fā)生位移。這種位移可能導致晶格空位或填隙。這些原子隨后可能重組或形成穩(wěn)定的缺陷。
輻射硬化確保電子系統(tǒng)在火星環(huán)境下穩(wěn)定工作數(shù)十年
40多年來，ADI不斷利用創(chuàng)新與NASA/JPL合作開發(fā)能夠承受發(fā)射時的極高重力，并滿足嚴格的質量標準，能夠適應嚴苛的太空環(huán)境要求的元器件和系統(tǒng)。ADI與NASA/JPL的合作可以追溯到20世紀80年代初，雙方一直致力于推動突破技術極限，開發(fā)關鍵元器件、自定義程序和抗輻射技術。無論其功能是什么，或要執(zhí)行什么任務，每個元器件都要面對最惡劣的環(huán)境條件，包括極端重力、振動、溫度波動和輻射。
與可以更換故障設備的地面應用不同，設備送入太空之后，無法輕松進行更換。面對太空的強輻射，電子器件針對輻射進行硬化（radiation-hardened）十分重要。ADI與NASA /JPL合作開發(fā)了相關技術，采用各種各樣的工藝來減輕或增強輻射耐受性，相關系統(tǒng)及器件會使用回旋加速器以及其他類似設施的進行輻射硬化，使得組件可以承受太空惡劣的環(huán)境。這些設施使我們能夠在將設備放入衛(wèi)星等應用環(huán)境之前，將設備暴露在輻射中以測量其性能。
“朱諾”號太空探測器
在“毅力號”之前，ADI就與NASA/JPL的“朱諾”號太空探測器合作，該探測器于2011年8月5日發(fā)射升空，歷時近5年，穿越深空中的各種極端環(huán)境，于2016年7月4日抵達木星周圍的軌道。在太陽系所有的惡劣輻射環(huán)境中，木星可能位居第一。木星的磁層在其范艾倫輻射帶中捕獲了大量輻射，這個量遠遠大于我們行星周圍或太陽系內的其他行星周圍的輻射帶。這使得“朱諾”號成為一項極具風險的任務，需要大大提高其電子設備的抗輻射性能。通過在地球上對設備進行輻射測試，ADI的這些器件可以確保設備可以在惡劣的太空輻射環(huán)境中正常運行。
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