Radiace, plazma, výboje - nepřátelé kosmické elektroniky
Spolehlivost elektroniky ve vesmíru
Vesmír je nehostinné prostředí. Není zde dýchatelný vzduch, úrovně záření jsou až 15× vyšší než na Zemi a teplota se přibližuje 2,7 Kelvina (−270,45 °C). Zemská atmosféra nás sice velmi dobře chrání před intenzivními podmínkami ve vesmíru, ale tam, kde atmosféra chybí — například na oběžné dráze — nic nechrání satelity ani jiná kosmická tělesa před extrémním zářením a tepelnými výkyvy. Klíčové elektronické systémy jako navigace, komunikace či výkonové prvky musí čelit obrovským nárokům na spolehlivost. Simulace umožňují návrhářským týmům vyvíjet robustní vesmírné platformy a za zohlednění široké škály vstupních parametrů maximalizovat pravděpodobnost dlouhodobého provozu.
Obr. 1: Diagram fyzikálních procesů, souvisejících s hromaděním povrchového náboje
Záření ve vesmíru
Jak již bylo řečeno, záření ve vesmíru je jedna z hlavních výzev moderní elektroniky. S ohledem na časový interval vystavení záření můžeme hovořit buďto o krátkodobé nebo dlouhodobé expozici.
- Krátkodobá: Single-event effects (SEE), elektronické poruchy způsobené jedním částicovým zásahem o vysoké energii.
- Dlouhodobé: Total Ionizing Dose (TID), celková akumulovaná dávka záření z různých zdrojů: nejčastěji elektronů, protonů, těžkých iontů, rentgenového a gama záření.
Nejčastějšími zdroji záření jsou částice zachycené v zemském magnetickém poli nebo ze slunečních erupcí. Ionizace těchto částic může mít velmi škodlivé účinky na elektrické systémy. Částice způsobují nárůst elektrického náboje, který se bez uzemnění jednoduše nemá kam rozptýlit. Hromadění náboje pak pochopitelně doprovází vznik elektrického pole, které může při překročení jisté meze způsobit průraz dielektrikem – elektrostatický výboj (ESD).
Obr. 2 Výsledky simulace povrchového nabíjení vesmírného modulu. Pole je monitorování v časové oblasti.
Posouzení rizika povrchového nabíjení
Povrchové nabíjení vzniká v materiálu jako reakce na vnější záření. Velikost nahromaděného náboje přitom záleží na materiálových vlastnostech, geometrii tělesa a je přímo úměrná intenzitě záření. Vznikající fotoelektrony, sekundární elektrony, zpětně rozptýlené elektrony a protony interagují s elektrickými poli a vytvářejí u povrchu plazmovou schránku.
Například během cesty k Měsíci se kosmické prostředky setkávají s různými plazmovými prostředími, a tedy i různými úrovněmi povrchového nabíjení v závislosti na dráze letu.
Simulační software Ansys Charge Plus používá širokou škálu materiálových parametrů ke sledování rovnováhy náboje mezi povrchem objektu a jeho okolím. K tomu využívá řešiče particle-in-cell (PIC) ve spojení s metodou hraničních prvků (BEM - Boundary Element Method). Simulace povrchového nabíjení pomocí metod konečných prvků (FEM) plně elektromagnetického pole pak inženýrům umožňuje vypočítat pole v 3D a získat tak představu o tom, zda hrozí riziko vzniku obloukového výboje v plazmatu.
Objemové nabíjení materiálu
K vnitřnímu dielektrickému nabíjení dochází v důsledku interakce nabitých částic s objemem materiálu. Tyto částice mohou být urychlovány slunečními erupcemi nebo magnetickým polem Země, například ve Van Allenových pásech nebo v blízkosti pólů. Indukce pole vede k nahromadění náboje a potenciálně i k dielektrickému průrazu (ESD).
V plazmovém prostředí, kde je energie nabitých částic dostatečně vysoká, aby došlo k hlubokému dielektrickému nabití, se často zkoumá riziko akumulace náboje uvnitř citlivých komponent, jako jsou solární články, senzory nebo odkryté kabely či konektory. Pro posouzení rizika vzniku ESD v dielektriku lze použít spektrum vysoké energie exportované z Ansys Systems Tool Kit – Space Environment and Effects Tool (STK-SEET) a poté software Charge Plus k propojení 3D nástrojů pro transport částic s plně elektromagnetickým FEM řešením v časové oblasti. Tato metoda umožňuje sledovat potenciály, pole, náboje a proudy indukované interakcí částic s objemem materiálu při různých geometrických konfiguracích a časově proměnném spektru částic.
Obr. 4 Uspořádání modelu solárního článku s rozvahou rozložení potenciálů, vnějšího zdroje nabitých částic a materiálových vlastností
Dielektrický průraz solárních článků
Výboje mohou probíhat mezi kosmickým objektem a plazmem, mezi vodiči, nebo přímo uvnitř izolátoru. V nejhorším případě mohou tyto výboje vést k sekundárním obloukovým jevům, pokud není kosmické těleso dobře uzemněno. ESD je navíc samo zdrojem elektromagnetické záření, které může poškodit komunikační systémy.
Někdy musí inženýři (kvůli návrhovým omezením) minimální obloukové jevy akceptovat. Jindy může být návrh, zamýšlený pro jedno konkrétní prostředí (např. LEO - Low Earth Orbit), použit i v drsnějším prostředí (např. GEO -Geostationary Earth Orbit).
K simulaci dielektrického průrazu Ansys Charge Plus využívá plně elektromagnetický řešič a stochastický stromový model, který vypočítává pravděpodobnost průrazu jako funkci elektrického pole, dielektrické pevnosti materiálu a vazební síly k sousedním uzlům. Tato pravděpodobnost je vyhodnocována v každém časovém kroku a pro každý uzel FEM sítě použitý pro problém.
Obr. 5 Vykreslení normálové intenzity elektrického pole uvnitř dielektrika v okolí pinů
Co znamená „rad hard“
Radiation hardening označuje soubor návrhových postupů a opatření, jejichž cílem je zvýšit odolnost elektronických systémů vůči účinkům ionizujícího záření v kosmickém prostředí. Skrze simulace lze kvantifikovat interakce mezi částicemi a strukturou zařízení.
Ansys Charge Plus kombinuje přístup 3D Monte Carlo pro transport částic s metodou konečných prvků (FEM) pro sledování energetického spektra. Vypočtená elektromagnetická pole jsou následně převzata zpět do transportního modelu. Tímto způsobem lze získat realistickou představu o intenzitě záření, pronikající do vnitřních částí systému.
Na základě těchto výsledků mohou inženýři optimalizovat tloušťku a uspořádání stínění tak, aby bylo dosaženo požadované úrovně radiační odolnosti při současném zachování přijatelných hmotnostních a konstrukčních parametrů zařízení.
Simulace jako standard budoucí kosmické spolehlivosti
Spolehlivost elektroniky ve vesmíru dnes rozhoduje o úspěchu celé mise – a s rostoucím počtem satelitů na oběžné dráze bude její význam jen narůstat. Pokročilé simulace umožňují už ve fázi návrhu odhalit slabá místa, optimalizovat odolnost vůči záření i teplotním extrémům a výrazně snížit riziko selhání v provozu. Do budoucna se dá čekat, že se z nich stane standardní součást vývoje. V éře velkých konstelací, delších misí a rychlejších vývojových cyklů bude právě kombinace modelování, dat z provozu a automatizované optimalizace klíčem k bezpečnějšímu, dostupnějšímu a udržitelnějšímu vesmírnému průmyslu.
Webináře k této tématice
Rušení a výboje mají konkrétní příčiny, které lze odhalit včas pomocí simulací elektromagnetické kompatibility a předejít tak selhání i drahým chybám. Ukážeme, jak navrhovat elektroniku tak, aby splnila EMC normy a zajistila stabilní, čisté a spolehlivé napájení i datové signály.
Rušení GPS signálu – tzv. jamming – představuje vážnou hrozbu pro letecké a obranné operace. V tomto webináři Vám ukážeme, co rušení způsobuje, jaké má dopady na navigaci a komunikaci – a jak jej efektivně simulovat a vyhodnocovat. Pomocí moderních nástrojů dokážete navrhnout robustní mise odolné vůči rušení.
