Есть ли Analog Devices на Марсе?

12 апреля

управление питаниемответственные примененияAnalog DevicesстатьядатчикиДатчик температурыИзоляторы

Кристен Чонг (Analog Devices)

В составе электронных схем миссии NASA на Марс 2020 года (марсоход и легкий исследовательский вертолет) применено значительное количество точных и высоконадежных компонентов производства Analog Devices для применения в экстремальных условиях перепада температур, перегрузок, вибрации, ионизирующего и радиационного излучения – схемы управления питанием, датчики, изоляторы и другие изделия.

Самый совершенный в истории планетоход Perseverance (Настойчивость), на которого возложено выполнение миссии по поиску следов древних микробиологических форм жизни, 18 февраля 2021 года коснулся поверхности Красной планеты, перед этим войдя в ее атмосферу на скорости 11900 миль в час (около 19150 км/ч). Передача на Землю, находящуюся на расстоянии 130 миллионов миль (около 210 млн. км), сигнала, подтверждающего его прибытие, заняла 11,5 минут.

Постоянно находясь под воздействием высокоэнергетического космического излучения и испытывая экстремальную циклическую смену тепла и холода, робот-исследователь начал собирать образцы почвы и проводить различные эксперименты, некоторые из которых еще недавно трудно было вообразить. Научный робот весом чуть менее 2300 фунтов (около 1043 кг), оснащенный высоконадежными технологическими средствами, поможет проложить путь для будущих исследований Солнечной системы.

Миссии по отправке машин и людей в космос служат испытательным полигоном для расширения границ земных технологий. Более четырех десятилетий компания Analog Devices Inc (ADI) использовала возможности инноваций и сотрудничала с NASA/JPL с целью разработки компонентов и систем, которые могут выдерживать экстремальные перегрузки при запуске ракетоносителя и соответствовать строгим стандартам качества для работы в суровых условиях космоса. Миссия Perseverance – еще один пример сотрудничества в технической сфере и космическая веха для NASA/JPL и ADI.

Обзор миссии и участие в ней ADI

Компания JPL

Jet Propulsion Laboratory (Лаборатория реактивного движения, JPL) является национальным исследовательским центром, позволившим США вступить в космическую эру благодаря разработке первого в Америке научного спутника для работы на околоземной орбите, созданию первого успешного межпланетного космического корабля и отправке роботизированных миссий для изучения других планет.

Цель миссии

Расширение границ технологий, предназначенных для поисков признаков жизни, поисков воды и изучения возможностей жизни людей на Марсе. Передача этих технологий в коммерческую сферу по освоению космоса на благо всего человечества.

Задачи

Решение самых сложных инженерных задач с целью обеспечения функционирования роботизированных миссий в суровых условиях космоса для исследования планет и их спутников, астероидов и т.д.

Области применения

Использование компонентов управления питанием, изоляторов, датчиков и радиационно-стойких компонентов ADI для приборов и механизмов космических исследовательских аппаратов.

Perseverance и поиски древней жизни

На рисунке 1 показано место посадки Perseverance, как оно могло выглядеть миллиарды лет назад после того, как крупный объект столкнулся с Марсом, оставив кратер шириной 25 миль (около 40 км), заполненный водами каналов, проходивших когда-то по марсианской поверхности.

Рис. 1. Реконструкция места посадки марсохода Perseverance (Изображение предоставлено NASA/JPL – Cal Tech: кратер Джезеро, Марс)

Рис. 1. Реконструкция места посадки марсохода Perseverance
(Изображение предоставлено NASA/JPL – Cal Tech: кратер Джезеро, Марс)

Хотя сегодня Марс представляет собой холодную, почти безвоздушную, пустыню, ученые полагают, что 3,5 миллиарда лет назад, в более влажный период, в кратере Джезеро, возможно, жили микроорганизмы. Шестиколесный робот-вездеход будет искать химические, минеральные и визуальные свидетельства древней микрожизни, сохранившиеся в отложениях кратера. Perseverance станет первой миссией по сбору десятков образцов марсианского грунта, которые он запечатает в трубки и разместит на поверхности планеты для будущих миссий, которые соберут эти образцы и вернут их на Землю для более детального анализа с помощью сложной аппаратуры.

Питание марсохода

Электричество является живительной эссенцией, питающей приборы, системы связи, средства передвижения и системы проведения исследований роботов-планетоходов. Надежность системы питания и долговечность батареи имеют решающее значение для 11-летней миссии марсохода. Perseverance питается от высоковольтной аккумуляторной шины, обеспечивающей высокую эффективность. Однако выходное напряжение на этой шине слишком велико практически для всех электронных систем марсохода. Без эффективно стабилизированного понижения промежуточного напряжения марсоход будет тратить значительное количество энергии, а аккумулятор потребует более частой подзарядки.

ADI – партнер с эффективными решениями для систем питания

NASA/JPL выбрала ADI в качестве поставщика основных решений по управлению питанием. Высоковольтный синхронный контроллер с токовым режимом служит интерфейсом для преобразования высокого напряжения питания, получаемого от центральной аккумуляторной шины, в более низкие напряжения, необходимые для работы всех компонентов (микросхем) марсохода. Этот контроллер, обладающий повышенной защитой от радиации, обеспечивает высочайший КПД преобразования при минимальном расходе энергии. При потере мощности выделяется тепло, избыточное тепло может нарушить работу компонентов, а в разреженной марсианской атмосфере избавиться от лишнего тепла еще сложнее, чем на Земле.

Переход на новый этап для проведения более масштабной миссии

Марсоход проведет несколько экспериментов, предназначенных для организации предстоящих миссий. Эксперимент MOXIE (использование марсианских ресурсов кислорода), возможно, является наиболее амбициозным, и в его рамках будет проведено испытание метода извлечения кислорода из марсианской атмосферы. MOXIE даст ответ на вопрос, возможно ли преобразование марсианского углекислого газа в кислород. В случае успеха будущие версии технологии MOXIE могут стать основой для других миссий на Марс, где они будут обеспечивать кислород для ракетного топлива и генерировать пригодный для дыхания воздух для будущих исследователей и поселенцев. Компаньоном Perseverance в космическом путешествии является Ingenuity (Изобретательность). Этот вертолет с питанием от солнечных элементов (рисунок 2) проверит возможность стабильного полета в разреженной атмосфере Марса, плотность которой составляет сотую долю от плотности атмосферы Земли, а также будет искать лучшие места для проведения исследований и самые безопасные маршруты движения марсохода.

Рис. 2. Марсоход Perseverance в сопровождении Ingenuity – первого вертолета, разработанного для полетов на другой планете (Предоставлено NASA/JPL – Cal Tech.)

Рис. 2. Марсоход Perseverance в сопровождении Ingenuity – первого вертолета, разработанного для полетов на другой планете
(Предоставлено NASA/JPL – Cal Tech.)

Изначально четырехфунтовый (около 1,8 кг) вертолет с питанием от солнечных элементов укреплен на нижней части марсохода. При работе его сдвоенные пропеллеры диаметром около 1,2 метра (4 фута) вращаются в противоположных направлениях со скоростью около 2400 об/мин, что во много раз быстрее, чем скорость вращения пропеллеров вертолетов, летающих в земной атмосфере. На верхней плоскости аппарата установлена солнечная панель для зарядки аккумуляторов. Вниз направлена камера высокого разрешения для осуществления навигации, посадки и проведения научных исследований местности. (рисунок 3). Этот крошечный аппарат должен генерировать достаточную подъемную силу, чтобы летать в разреженной атмосфере Марса, плотность которой равна одной сотой доли плотности Земли. Вертолет Ingenuity должен работать даже в ночных условиях Марса, когда температура опускается до минус 130 градусов по Фаренгейту (-90°C).

Рис. 3. Вертолет Ingenuity за работой (Предоставлено NASA/JPL – Cal Tech.)

Рис. 3. Вертолет Ingenuity за работой
(Предоставлено NASA/JPL – Cal Tech.)

С 2014 по 2019 год инженеры Лаборатории реактивного движения (JPL) испытывали все более совершенные и легкие модели вертолета на специальных космических симуляторах. 30 июля 2019 года окончательная версия вертолета была запущена к Красной планете с базы ВВС на мысе Канаверал (Флорида) в межпланетном корабле Atlas V.

У Ingenuity будет 30-дневное экспериментальное окно для проведения на Марсе испытаний, в рамках которых вертолет попытается совершить до пяти управляемых полетов продолжительностью до трех минут с подъемом на высоту до 1000 футов (около 305 м). Данные, полученные во время испытательных полетов, помогут в разработке вертолетов следующего поколения для исследования Марса, а также позволят расширить возможность разведки для роботов-исследователей и людей, усовершенствовать методы транспортировки легких грузов и улучшить процессы изучения труднодоступных мест.

Успешный испытательный полет сделает этот вертолет первым воздушным судном, которое смогло осуществить полет в другом мире, что сродни подвигам братьев Райт. «Мы стремимся доказать, что полет на Марсе с винтокрылым приводом может быть осуществлен», – сказала  руководитель проекта марсианской вертолетной миссии Мими Аунг, – «Мы с нетерпением ждем времени, когда вертолеты, предназначенные для полетов в атмосфере Марса, будут играть важную роль в исследованиях Красной планеты».

Старшеклассница Ваниза Рупани из Нортпорта (штат Алабама) отправила на конкурс по выбору названий для марсохода слово «Ingenuity» (Изобретательность), написав «Изобретательность – это то, что позволяет людям совершать удивительные вещи». Но в NASA подумали, что это название больше подходит для вертолета, учитывая большое количество творческих усилий и напряженную работу инженеров JPL для того, чтобы поднять аппарат в воздух.

История разработки технологий усиленной защиты

В составе Perseverance имеются шестьдесят три компонента ADI, которые критически важны для успешного проведения марсианской миссии. «Здесь есть все компоненты, от высокочастотных и малопотребляющих устройств до операционных усилителей, от микросхем управления питанием до преобразователей данных, и многие другие», – сказала менеджер по маркетингу и инженер по применению в ADI Кристен Чонг, –  «Мы продолжаем работать с NASA/JPL над новыми космическими программами».

Благодаря рабочим отношениям, зародившимся в начале 1980-х годов, ADI совершенствует технологии и разрабатывает критически важные компоненты, специальные программы и технологии для повышения защищенности объектов совместно с NASA/JPL. Независимо от функции или предназначения, каждый компонент испытывает воздействия суровых условий окружающей среды, в числе которых – экстремальные перегрузки, вибрация, колебания температуры и радиационное излучение.

Запущенный 5 августа 2011 года космический исследовательский аппарат NASA/JPL, названный Juno, в течение почти пяти лет летел в экстремальных условиях глубокого космоса, чтобы 4 июля 2016 года достичь орбиты Юпитера (рисунок 4). Миссия Juno состояла в том, чтобы узнать, как образовалась эта гигантская газовая планета и другие, подобные ей. «Среди объектов нашей Солнечной системы в плане жесткости радиационной среды Юпитер, вероятно, является одним из худших», – сказала Кристен Чонг, –  «Магнитосфера Юпитера улавливает значительное количество радиационного излучения в своих поясах Ван Аллена, и это количество намного больше по сравнению с количеством излучения, которое мог бы удерживать пояс Ван Аллена вокруг нашей планеты или любого другого космического тела в пределах Солнечной системы». Это требовало от электроники Juno радикальной радиационной защиты.

Например, в состав Juno вошел устойчивый к радиационным воздействиям датчик температуры AD590S производства ADI. Когда космический корабль выходит из тени планеты, на орбите которой он находится, и попадает под прямые лучи Солнца, температура может изменяться в значительных пределах. Даже когда он освещается солнечным светом, разница температур между стороной, обращенной к Солнцу, и противоположной стороной, находящейся в тени, может быть довольно большой. Эти колебания температуры могут значительно, но предсказуемо влиять на микросхемы внутри космического исследовательского аппарата. Информация, полученная от датчика температуры, может использоваться для регулировки и компенсации колебаний температуры космического корабля.

После почти 20 лет эксплуатации датчик AD590S производства ADI продолжает собирать данные о температуре. Благодаря доказанной надежности он вновь был выбран NASA/JPL для миссии Perseverance.

Рис. 4. Космический исследовательский аппарат Juno (Изображение предоставлено NASA/JPL – Cal Tech)

Рис. 4. Космический исследовательский аппарат Juno
(Изображение предоставлено NASA/JPL – Cal Tech)

Вредоносное воздействие космического излучения

Космические аппараты, выходящие за пределы защитного магнитного поля Земли, подвергаются вредному воздействию солнечного излучения. Это излучение может приводить к появлению случайных ошибок, сбросу устройств обработки и даже разрушению компонентов. К эффектам излучения относятся:

  • Эффекты единичного события: одиночный ион или частица попадают в определенную область устройства, что приводит к появлению различных непредсказуемых явлений и ошибок.
  • Общая доза ионизирующего излучения: долгосрочное кумулятивное воздействие ионизирующего излучения на компоненты в течение всего срока их эксплуатации. Такое воздействие может привести к сдвигу уровня смещения, например к увеличению потребляемого тока некоторых компонентов.
  • Повреждение кристаллической решетки путем смещения атомов: крупные частицы, такие как нейтроны, могут разрушить кристаллическую структуру кремниевой микросхемы, что приведет к физическому повреждению.

Испытания на устойчивость к радиационному излучению

Linear Technology Corporation (LTC), известная своими высококачественными системами управления питанием, была приобретена ADI в 2017 году. В рамках совместной с NASA/JPL работы по определению компонентов, необходимых рынку космического оборудования, инженеры LTC в свое время посетили такие объекты, как Циклотронный институт в Техасском университете A&M. Они использовали технологические процессы, разработанные там, для повышения радиационной стойкости производимых компонентов.

«Они обращаются к нам со сложными задачами, когда стандартные микросхемы не функционируют должным образом. Мы отправляем сотрудников в  Колледж-Стейшен (Техас) в рамках организации процесса по повышению радиационной стойкости компонентов», – сказал руководящий инженер по применению компании ADI Джон Гай, – «Был случай, когда мы привлекли разработчика компонентов и инженера по применению, чтобы проверить, не было ли каких-либо нарушений в работе компонентов во время испытаний на радиационную устойчивость». На этом этапе разработчик и инженер по применению работали вместе с инженерами NASA/JPL, чтобы сосредоточиться на поставленной задаче, провести испытания, определить, были ли сбои на уровне приложения или на уровне самого компонента, и в итоге разработать конечный продукт, устойчивый к радиационному излучению.

Контроль качества, высокие характеристики и долговечность

Более 40 лет ADI сотрудничает с NASA/JPL в разработке надежных технологий, способных обеспечивать защиту от суровых воздействий космоса. Разработанные согласно этим технологиям компоненты не только безупречно функционировали, но и во многих случаях превзошли ожидания, так как в итоге проработали на годы или даже десятилетия дольше, чем было указано в требованиях миссии.

Длительные отношения свидетельствуют о доверии NASA/JPL к продуктам, которые мы создаем, нашим строгим требованиям к испытаниям, а также качеству и стандартам, которые мы соблюдаем. Это также свидетельствует о значимости услуг, предоставляемых ADI на территории заказчиков, богатом опыте работы и о технологиях, которые используются в космических аппаратах различных поколений.

Стандарты и принципы ADI также служат доказательством качества и надежности для наших заказчиков, разрабатывающих менее требовательные приложения. Знание того, что конкретные компоненты могут эффективно работать десятилетиями в условиях космоса, добавляет уверенности в том, что они будут безупречно работать на Земле – будь то на заводе, в электромобиле или в хирургическом медицинском оборудовании.

Партнерство со взглядом в будущее

Как и NASA/JPL, мы смотрим в будущее, стремясь оказаться внутри инноваций, оставаясь любопытными, обучаясь адаптироваться и нестандартно мыслить. Если история ADI за последние 50 лет чему-то нас и научила, то в первую очередь тому, что завтрашние технологические инновации переориентируют отрасли на новые пути и сформируют наш мир так, как мы сегодня даже не можем представить. Наше видение состоит в том, чтобы решать самые сложные, значимые и эффективные задачи и быть за гранью возможного.

Миссия марсохода Perseverance и большое количество последующих миссий являются лишь небольшой частью грандиозной программы. В 2024 году NASA планирует вновь отправить астронавтов на Луну, а в 2028 по планам на ней должно быть организовано постоянное присутствие людей в рамках подготовки к исследованию Марса. ADI твердо намерена участвовать в этом великом исследовании.

«Мы будем на Луне. Мы будем на Марсе. Мы будем на лунах планет внешней Солнечной системы. Мы будем на кометах. Мы будем перепрыгивать с кометы на комету, стремясь дальше к звездам»

(Карл Саган, астроном, космолог, писатель, поэт и популяризатор науки).

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD открыла ...читать далее

Товары
Наименование
AD590JRZ (AD)
AD590JCPZ-RL7 (AD)
AD590JCPZ-R5 (AD)
AD590KRZ-RL (AD)
AD590KRZ (AD)
AD590JH (AD)
AD590JR (AD)
AD590KF (AD)
AD590KH (AD)
AD590JRZ-RL (AD)
AD590JR-REEL (AD)
AD590JH/883B (AD)
AD590LF (AD)
AD590JF/883B (AD)
AD590JF (AD)
AD590KF/883B (AD)
AD590KH/883B (AD)
AD590LH (AD)
AD590LH/883B (AD)
AD590MH (AD)