发布日期:2024/8/15太空环境测试
发布单位:iST宜特
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?
太空环境测试
1957年第一颗人造卫星发射后,现今已有近万颗卫星在太空飞行,数量持续增加中。卫星已经跟我们的日常生活密不可分,例如地图导航、实况转播等,另外.俄乌战争中使用「星链」卫星通讯连网,台湾也在0403花莲地震首次使用低轨卫星技术,协助灾区通讯。因此,发展卫星科技除了民生用途,也深具国家安全考虑。
台湾从2019年到2029年,于第3期「国家太空科技发展长程计划」投入超过新台币400亿元,进行低轨通讯卫星的研制、规划国家发射场与人才培育。工研院估算,至2030年,全球每年将发射1,700颗卫星升空,届时将创造至少4,000亿美元的产值。根据美国卫星产业协会(Satellite Industry Association)预计,全球太空经济在2040年更有望突破1兆美元,其中卫星产业占比上看88%,达9,252亿美元。
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)(图一),重量从几公斤到数百公斤不等,其中SpaceX Starlink低轨通讯卫星近年转商业化,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,相应的电子零组件需求亦随之增加,让不少厂商对迈向太空市场摩拳擦掌。
卫星是由几个次系统整合而成,包含姿态控制、电力、热控、通讯、推进和酬载(Payload)…等(图二)。例如遥测卫星(Remote Sensing Satellite),其功能是绕地球轨道拍摄照片,其中姿态控制次系统使镜头能维持对着地球方向;影像传感器则是摄取影像的酬载,电力次系统负责电力储存与电源管理,最后将照片透过通讯次系统传回地面,卫星内部有我们熟知的各种电子零组件。
正统太空规的电子零组件要价不斐,且某些零件因各国管制政策不易取得,而商用现货(Commercial Off-the-Shelf,简称 COTS),例如计算机、手机和汽车采用的电子零组件,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电子零组件要上太空,需经过哪些验证测试?本期宜特小学堂,将从火箭发射环境、太空环境,逐一说明COTS欲跨入太空应用将面临的挑战和验证测试方式。
太空环境测试
太空环境测试
一、3.2.1发射! 火箭发射对电子零组件的影响
(一)振动测试
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(图三)的振动测试参数,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(图四)可用来确认卫星或电子零组件在经历发射过程仍能正常运作。
(二)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(图五)。
(三)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(图六),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冲击测试(图七),了解卫星与其电子零组件对巨大冲击的耐受程度。
(四)电磁兼容性测试(EMC)
此外,因各种电子零组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)(图八),确保卫星所使用的电子零组件不会与火箭之间互相干扰。
二、太空环境对电子零组件有何影响?
(一)热真空循环测试(Thermal Vacuum Cycling Test)
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组件因散热不良烧毁,真空低压也会造成零组件材料分解、腔体泄漏(leak),或是零组件释气(Outgassing)产生污染。
热真空循环测试(Thermal Vacuum Cycling Test)(图九)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组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,此时卫星或电子零组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,也是卫星或电子零组件常见的失效项目。
(二) 辐射测试
少了大气层的保护,电子零组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)(图十),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组件可能造成数据错乱(Upset)、当机,甚至永久性故障(图十一)。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。
辐射对电子零组件的影响有以下三大类:
1. 总电离剂量效应(Total Ionizing Dose Effect,TID)
电子零组件在太空环境长期累积大量质子与电子辐射是TID效应的主因,TID会造成MOS晶体管Threshold Voltage缓慢飘移,零件漏电因此逐渐增加,漏电严重时则会导致零件烧毁。卫星可视为大型的无线行动装置,依赖太阳能蓄电,电力相当珍贵,若卫星内诸多的电子零件都在漏电,将造成卫星电力不足而失联或失控。2. 位移损伤效应(Displacement Damage,DD)
质子对电子零组件会产生另一种非辐射效应,称为位移损伤效应(DD),属长期累积大量质子的物理性损伤,质子会将半导体零件内的硅原子打出晶格外,形成半导体的缺陷,零件漏电也会逐渐增加,其中光电零件对DD效应较敏感,例如影像感测组件,DD会造成影像质量降低,另外也会使卫星使用的太阳能电池(Solar Cell)转换效率下降。3. 单一事件效应(Single Event Effect,SEE)
TID与DD可看成慢性病,是电子零组件长期在轨累积大量质子与电子作用所造成的漏电效应,SEE(图十二)则是属于急性症状,随机发生,难以预测。质子与重离子都会造成电子零组件的SEE效应,而重离子比质子更容易引发SEE,太空环境的重离子数量虽然相对少,但杀伤力强,一颗重离子就可能使电子零组件当机或损坏。
SEE造成的故障可分成Soft ERROR与Hard Error两大类。Soft Error的征状为数据错乱、当机、功能异常等,重启电路可恢复其运作,但若电子零组件对辐射很敏感,当机频率过高则会影响任务执行,因此需以辐射测试评估其事件率(Event Rate)。Hard Error则是永久性故障,例如重离子容易引发半导体零件栓锁(Latch-Up)现象,若没有对应机制,零件可能因大电流烧毁,因此SEL(Single Event Latch-Up)是太空电子零件辐射耐受度最重要的指标之一。
太空环境有各种能量的粒子(质子、电子、重离子…),能量越高的粒子可穿透越厚的物质或外壳。低能量的粒子可被卫星外壳(铝)阻挡,但卫星发射成本主要以重量计价,外壳厚度相当有限(通常为几毫米厚的铝材);而高能量的粒子则会穿透卫星外壳,影响电子零组件运作,因故使用于太空环境的电子零组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电子零组件,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(图十三)。
三、飞行履历:电子产品晋升太空组件的最后一哩路
COTS电子零组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、射频等各种电子零组件辐射测试。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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