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2021-05-15從電力管理到抗輻射設計,一窺探索木星登陸火星的關鍵技術! 473 期

Author 作者 Charles Lee/ADI亞太應用工程總監。
為尋找火星中的古代微生物蹤跡,以證實火星是否曾是個有水、有生物的星球,美國國家航空暨太空總署(NASA)於去(2020)年7月30號再度發射了「毅力號」(Perseverance)火星探測車,已於2021年2月18號抵達火星。此次任務,目的是收集火星的岩石和土壤樣本,並將其帶回地球研究,以更加了解火星的氣候和地質。要完成任務的最大挑戰,就是解決棘手的電子工程問題,包括具有硬化技術(hardened technology)的抗輻射設計(radiation hardened, RH),讓機器探測車運作在惡劣的太空環境下,完成指定的探索、收集任務。

毅力號外型有如一台六輪的小型家用機器車加上一支大型手臂,是截至目前史上最先進的探測車,配備著各種科學儀器,用來獲取有關火星地質、大氣、周圍環境和潛在生物足跡的資訊。

總部設在美國麻薩諸塞州的亞德諾半導體(Analog Devices, ADI),為毅力號火星登陸計畫的重要夥伴,從1980年代初,便與NASA噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)合作開發各種能夠在所有惡劣太空環境下生存的產品與零組件,包含面對極端重力現象及抵抗各種輻射。此次的毅力號火星計畫,使用了包括從電源管理到數據轉換器,以及在兩者之間溝通與轉換所需的所有重要零組件,其中來自ADI的關鍵零組件便高達63個。

 

毅力號火星探測車的主要任務,包括收集火星岩石與土壤。(123RF)

動力來源,可靠的電力管理系統

對一台機器探測車來說,電力是所有動力的來源,需要提供儀器、通信設施和所有科學活動使用。品質穩定且可靠的電力和電池壽命,無疑對完成為期11年探索任務至為重要。毅力號配備的是高壓電池系統,直接從電池中央系統輸出高電壓,對火星探測車的電子系統而言,需要有效的調節降壓,以符合電子系統使用,避免大量的能源浪費、沒有效率,使得電池需要頻繁充電。

ADI負責為此電源管理,提供了關鍵的解決方案。其中,高壓降壓轉換器將電池中央系統的高壓電源轉換為較低電壓,以作為探測車零組件的工作電力。而ADI的硬化抗輻射控制器在此的作用,是保護電壓轉換器免受輻射破壞、提供高效的轉換率、減少功率耗損。功率損耗會產生熱量,而過多的熱量則會損害零組件,在稀薄不易散熱的火星大氣中,避免產生多餘的熱量將至關重要。

抗輻射硬化技術,挑戰最險峻的太空

在太空中,無論各種所需的功能或任務為何,所有的零組件都會面臨到嚴酷的環境挑戰,包括巨大的重力與振動、大級距的溫度波動以及大量的輻射。

抗輻射硬化技術,為ADI從1980年代初持續挑戰極限而發展出來的技術,主要用以保護零組件免於輻射的衝擊。太陽系充滿了輻射,因此,如何面對及克服電子設備上的輻射效應,是太空科學的主要關注點。輻射環境會損壞電子設備,其影響範圍,小從降低電子功能,大至導致完全失去功能。而本文的主角毅力號探測車,更需要在嚴峻的環境下,接受一個空前的挑戰──收集岩芯樣品並且進行實驗。

另外一個實際應用的案例,則是由ADI研發,安裝於NASA / JPL的「朱諾號」(Juno)太空探測器的溫度感測器(radiation-hardened temperature sensor)AD590S。朱諾號於2011年8月5日發射升空,在太空旅行了近五年,於2016年7月4日進入木星周圍的軌道。在太陽系的所有嚴苛環境中,木星的環境惡劣是出了名的,其輻射量遠大於太陽系的其他地方,而這也使朱諾號使用的技術具有相當之前瞻性,因其電子產品更需要高強度的硬化處理以抵抗輻射傷害。

AD590S是一款具備傑出抗輻射效果的溫度感測器。除前述的輻射之外,AD590S面臨的挑戰還包括,當探測器離開其運行的行星陰影,進入太陽的直射光線時,溫度因此有劇烈的改變,而即使已完整位於陽光照射的區域,探測器機器本也可能因為一面面對太陽,而另一面沒有被太陽照射,而具有極大的內部溫度差異。這些溫度波動會對探測器內的IC電子零組件產生衝擊。AD590S抗輻射溫度感測器已經通過質量測試,實證可在這樣的太空環境中提供數據資訊,並且提供調整及補償探測器上的溫度變化。而AD590S後續也再次被NASA/ JPL使用在「毅力號」的火星飛行任務中。

電子零件於太空面臨的嚴酷挑戰

近期的產業發展使得太空業務越加蓬勃,越來越多的私人公司也開始部署太空任務,以創造新的商業機會,這個轉變,推動了太空產品的新發展,也大大的影響、並提振了人們對太空飛行商品的尺寸和性能的不同要求。

超出地球磁場保護範圍後,所有的零組件都會遭遇到來自太陽系中輻射的不良影響,讓機具產生隨機性錯誤、重置,甚至損壞組件。而克服這些輻射挑戰,將是任務能否順利進行的關鍵。

輻射造成的影響包括:

單事件效應(Single-event effects,SEE):單個離子或粒子撞擊設備的特定區域而導致出現的各種奇怪現象和錯誤。


總游離劑量(Total ionizing dose,TID):長期電離輻射的累積造成對產品壽命的影響,將影響元件的性能。

位移損傷(Displacement damage,DD):中子等大顆粒物體會破壞矽晶的晶體結構,因而造成物理損壞。

 
面臨前述太空的挑戰,一般商業功能的積體電路(Integrated Circuit,IC)要轉換為合格的太空規格應用,除了需要考慮到輻射耐受性的要求外,還有IC封裝方式。抗輻射方面需要解決總電離劑量以及單事件效應的影響。幸運的是,低軌衛星(LEO-low Earth orbit satellites)的總輻射劑量要求低於傳統高軌道衛星。
而關於封裝方式,一般商業性IC零組件大都使用非氣密性的封裝方式(non-hermetic package),而太空用商品,由於性能要求嚴格,大都需用氣密式(hermetic package)的封裝方式,因此塑料封裝模組(plastic encapsulated modules,PEM)可望成為解決方案

結語

開發能在太空應用、對抗各種極端環境的零組件,需要各方專業通力合作,ADI企業與NASA/ JPL的合作便是最佳的實例。研發的產品不僅符合嚴格的質量標準、通過太空嚴酷環境的挑戰,並且在許多情況下超出了原有預期,比任務當初要求規定的工作壽命更長。毅力號任務的成果,便是跨領域太空技術合作的最佳印證。

延伸閱讀
Mars perseverance and hardened technology in extreme environments, Analog Device. https://www.analog.com/en/signals/articles/marsperseverance-hardened-technology.html#