首頁 商用现货芯片如何逐项测试 通关晋升太空部件

商用现货芯片如何逐项测试 通关晋升太空部件

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商用现货芯片如何逐项测试 通关晋升太空部件

by ruby

SPACE

全球太空经济在2040年预计突破1兆美元,电子厂商纷纷投入太空市场。
但面对火箭与太空环境严苛的考验,如何在地面模拟测试,使您的产品可在轨道顺利运行?

卫星按轨道高度可分成低轨(LEO<2,000 Km)、中轨(MEO<10,000 Km)以及地球同步轨道卫星(GEO~35,800 Km),重量从几公斤到数百公斤不等,其中SpaceX Starlink低轨通信卫星近年转商业化,开启了新太空经济模式。

另外立方卫星(CubeSat)造价门坎相对低,成为切入卫星技术研究的热门目标。卫星产业链日趋成熟,以及卫星发射和制造成本的降低,带来庞大的太空商机,相应的电子零部件需求亦随之增加,让不少厂商对迈向太空市场摩拳擦掌。

正统太空规的电子零部件要价不斐,且某些零件因各国管制政策不易取得,而商用现货(Commercial of The Shelf,简称 COTS),例如计算机、手机和汽车采用的电子零部件,价格相对亲民,性能好,供货也较充沛,近年采用COTS执行太空任务是相当热门的趋势。

COTS电子零部件要上太空,需经过哪些验证测试呢?

振动测试

音震测试

冲击测试

电磁兼容性测试

热真空循环测试

辐射测试

火箭发射对电子零部件的影响

1.振動測試

卫星在地面制造组装,需考虑温度、湿度、粉尘污染等影响;组装好的卫星搭乘火箭从地面发射,首先会承受火箭的剧烈振动,振动测试机可以在地面模拟火箭发射,以垂直与水平方向进行振动测试。

不同的火箭有不同的振动大小,例如美国SpaceX猎鹰重型火箭振动测试参数,以每秒钟10~2,000次的振动频率,重力加速度到几十倍,振动测试可用来确认卫星或电子零部件在经历发射过程仍能正常运作。

2.音震测试

火箭发射过程也会产生音震(Acoustic Noise),尤其是面积大且薄的零件容易受音震影响,例如太阳能电池板,天线面板等。音震可能使这些零件破裂、机构损坏,功能异常。音震舱则是用来模拟火箭所产生的音震,测试时将液态氮汽化,此时液态氮体积会瞬间膨胀数百倍产生巨大压力,再经由喇叭将气流动能转为声波导入音震舱,测试音震舱内的卫星或零件。

3.冲击测试

火箭离开地面抵达一定的高度时,各节火箭引擎开始陆续分离,接着整流罩展开释放卫星入轨,这些过程都会产生冲击(Shock),对卫星内部零件的焊接点、芯片,或其他脆性材料都是严苛的考验。因此也需要在地面先进行,了解卫星与其电子零部件对巨大冲击的耐受程度。

4. 电磁兼容性测试(EMC)

此外,因各种电子零部件集中在火箭狭小空间内,卫星跟火箭之间的电磁干扰可能会影响任务,因此卫星在发射前也需经过电磁兼容性测试(EMC),确保卫星所使用的电子零部件不会与火箭之间互相干扰。

太空环境对电子零部件有何影响

1. 热真空循环测试

低轨卫星以每秒七公里的时速飞行,大约九十分钟绕行地球一圈,卫星绕轨飞行处于真空环境,同时也会面临温差挑战,当卫星被太阳正面照射时,其温度高达摄氏120度,远离太阳时,温度可能低到零下120度。另外,真空环境可能使电子零部件因散热不良烧毁,真空低压也会造成零部件材料分解、腔体泄漏(leak),或是零部件释气(Outgassing)产生污染。

热真空循环测试(Thermal Vacuum Cycling Test)可模拟太空环境真空状态与温度变化,测试时将卫星或电子零部件架设于极低压力的真空舱内,再经设备以辐射、传导方式对卫星或电子零组件升降温以仿真太阳照射,此时卫星或电子零部件处于通电运作状态,须实时监控观察其功能是否正常。热真空循环通常测试为期一周甚至更长,也是卫星或电子零部件常见的失效项目。

2. 辐射测试

少了大气层的保护,电子零部件在太空环境直接面对辐射的冲击。以地球轨道而言,辐射环境包含辐射带(Van Allen Belts)、银河宇宙射线(Galactic Cosmic Rays,GCR)以及太阳高能粒子(Solar Energetic Particles,SEP),这些辐射环境充斥大量的电子、质子,以及少数的重离子(Heavy Ion)等,若击中卫星的电子零部件可能造成数据错乱(Upset)、当机,甚至永久性故障。

卫星在轨道运行寿命短则几个月,长则数十年,卫星在轨道运行时间越长,受辐射冲击影响就越大。因故使用于太空环境的电子零部件必定会被辐射影响,在上太空前必须经过辐射测试评估其特性。COTS电子零部件,都有一定的抗辐射能力,但是必须经测试了解辐射耐受度是否适用于太空任务需求。

飞行履历:电子产品晋升太空部件的最后一哩路

COTS电子零部件上太空前必须经过「发射环境测试」,包括模拟火箭发射时所产生的振动、音震、冲击、电磁兼容性测试,以及太空环境热真空循环和辐射测试等(更多的测试项目不在此一一细数),通过这些测试后,更重要的是取得「飞行履历」 (Flight Heritage),将产品发射上太空,若能成功执行各种任务,取得越多飞行履历,产品的身价就越高,太空产业非常重视飞行履历,飞行履历也是产品最佳保证书。

宜特为亚洲最完整的太空环境测试第三方实验室,于2019年与国研院太空中心合作,推动台湾太空产业发展;自2021年加入台湾太空辐射环境验测联盟,宜特已完成数十个案例,包含模拟、数字、内存、射频等各种电子零部件辐射测试。宜特持续建构更完整的太空环境验证测试能量,提供一站式服务。透过专业分工,协助国内外厂商进行太空环境验测,使厂商可以更专注在产品的设计与制造。

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