Космическая электроника. Какими были первые космические аппараты, на что влияет радиация и какое будущее ждет космическую электронику

Зачем искусственный интеллект на космических кораблях? Чем опасен космос для электроники? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Космическая электроника — отдельная область в сфере электронных исследований. Потребность в ней возникла вместе с освоением космоса: ученым потребовались устойчивые к космическим условиям технологии сбора, хранения, обработки и передачи информации. Для решения этих задач инженеры создают все более совершенные спутники — аппараты, движущиеся по околоземной орбите. С их помощью астрофизики изучают космическое пространство, ищут экзопланеты и наблюдают за космическими объектами. Многие технологические решения, использованные в космической электронике на разных этапах ее развития, ученые заимствовали из наземных разработок. С середины XX века вплоть до сегодняшнего дня эволюцию космических устройств определяет прогресс наземной электроники.

Первые космические аппараты

Ранние проекты в области освоения космоса основывались на электронной компонентной базе, созданной в военных целях. Эти разработки были засекречены, поэтому часто детали устройства военных спутников и имена их изобретателей остаются неизвестны. Первый аппарат запустили в космос советские инженеры во главе с Сергеем Королевым. Им был «Спутник-1», вышедший на орбиту в 1957 году. Его внутреннее устройство было простым. У «Спутника-1» не было системы ориентации, поэтому он беспорядочно вращался в космическом пространстве. Кроме того, он не принимал сигналы с Земли. Единственная функция «Спутника-1» заключалась в том, чтобы измерять температуру и давление внутри аппарата своего движения и отправлять эти данные на Землю. Мощность обоих его передатчиков составляла примерно 1 Вт — это очень много. Любой человек мог включить радиоприемник и услышать сигнал «Спутника-1».

Вторым советским космическим аппаратом был «Спутник-2» — его запустили на орбиту 3 ноября 1957 года. В отличие от «Спутника-1», перед этим устройством ученые ставили конкретные научные цели: собрать данные для изучения ультрафиолетового излучения Солнца и космических лучей. Руководили этой программой физики Сергей Мандельштам и Сергей Вернов. В 1959 году советские ученые запустили станцию «Луна-3». Благодаря этому спутнику им удалось сделать первый снимок обратной стороны Луны и передать его на Землю с помощью фототелевизионной системы.

Разработка космических аппаратов началась еще до наступления эпохи цифровой электроники. Ранние устройства строили на аналоговых электронных лампах. Внутри такой лампы находится катод и анод, между которыми проложена сетка. Катод заряжен отрицательно, а анод — положительно. Из-за этого электроны летят от катода к аноду, то есть лампа пропускает ток. Мы можем подавать на сетку в лампе дополнительное напряжение и управлять током, препятствовать его прохождению или, наоборот, стимулировать его. Если объединить лампы в цепи и управлять напряжением между ними, они смогут обрабатывать информацию в двоичной системе, где наличие тока будет обозначено как 1, а отсутствие — как 0. Такие элементы выполняют логические операции с нулями и единицами: складывать их или умножать. Из логических элементов мы собираем примитивные триггеры — устройства, которые запоминают информацию. Далее из триггеров строятся сумматоры, ячейки памяти. В итоге устройства, сконструированные на лампах, получаются такими массивными, что занимают объем школьного спортзала.

В середине XX века инженеры перешли от электронных ламп к транзисторам — маленьким и примерно в тысячу раз более производительным. Транзисторы тоже управляют токами, но их действие основано на полупроводниковых эффектах. Разработчики делают из них интегральные схемы, которые можно программировать. С 1976 года советские космические миссии перешли на интегральные схемы. С тех пор отечественная космическая электроника стала цифровой.

Приборы первых спутников помещали в герметичные корпуса, заполненные воздухом комнатной температуры, потому что они должны были выполнять свои функции при экстремальных температурах, отсутствии воздуха и при повышенной радиации. Кроме того, любое устройство, которое ученые хотят применять в космосе, должно выдержать вибрации и перегрузки во время полета в ракете. Наземные технологии часто не могут работать в таких ситуациях без сбоев. Одна из основных задач космической электроники — поиск инженерных решений, которые сделают цифровые устройства устойчивыми к подобным условиям.

Радиационный фон космического пространства

Наибольшая сложность для инженеров — защита устройств от радиации, уровень которой в космосе гораздо выше. Магнитное поле Земли защищает нас от солнечного ветра и других низкоэнергетических частиц, прежде всего протонов и электронов. В результате этого радиация не проникает на Землю, а накапливается вокруг нее. Электроны и протоны навиваются на линии магнитного поля и колеблются от Северного полюса к Южному — так формируется радиационный пояс. В дни солнечных бурь он проседает до атмосферы, тогда жители полярных регионов видят северное сияние. Первыми радиацию в космосе наблюдали советские ученые, когда анализировали данные с аппарата «Спутник-2» в 1957 году. Американский астрофизик Джеймс Ван Аллен в 1958 году описал радиационные пояса по данным с американского спутника Explorer-1.

Среди частиц в космических лучах можно найти ядра почти любых атомов. В зависимости от энергии эти частицы имеют разную проникающую способность. Самые опасные частицы — это ядра тяжелых элементов, такие как ядра железа или свинца.

Плотность, состав и опасность радиационного пояса зависят от высоты, на которую поднимается космический аппарат. Требования к надежности устройств различаются для разных орбит. Наиболее мягкие условия — на низких орбитах, которые находятся на расстоянии 160–2000 километров от Земли и не проходят над полюсами. Там находится Международная космическая станция: космонавты живут на ней месяцами и свободно пользуются ноутбуками и смартфонами. На низких орбитах работает электроника из обычных микросхем — например, микроконтроллеры STM из наземной робототехники. На расстоянии 20 тысяч километров от Земли — на орбитах спутников ГЛОНАСС и GPS — уровень радиации становится очень высоким. Проникающие способности заряженных частиц не позволяют разработчикам применять наземные микросхемы для спутников на этих орбитах.

Защита устройств от радиации

Подготовка электроники к экстремальному радиационному фону начинается на уровне полупроводников в микросхемах и чипах. Инженеры изменяют технологию с расчетом на то, что электроника будет взаимодействовать с радиацией и пропускать ионизирующее излучение. Устройства должны быть устойчивы к большой накопленной дозе. Если на поверхности Земли годовая накопленная доза составляет 1 КРад, то на орбите МКС уже 2 КРад, а внутри радиационного пояса достигает 100 КРад.

Защитить устройства от радиации помогает совершенствование архитектуры электронных схем. Нельзя допустить, чтобы поломка одного элемента приводила к гибели всего аппарата. Чтобы это предотвратить, разработчики ищут такие решения для проектирования, при которых можно дублировать критически важные системы. С их помощью можно разместить на спутнике запасной аккумулятор, дополнительный передатчик или вторую бортовую шину для связи бортового компьютера со всеми элементами. С точки зрения электронной архитектуры интересен недавний запуск миссии Planet Hunters TESS — спутника, который ищет экзопланеты с высокоэллиптической орбиты. Он сделан из неустойчивых к радиации чипов, но защищен тем, что все жизненно важные элементы в нем продублированы. Разработчики ограничивают срок его работы до двух лет.

Радиационно-устойчивые микросхемы

Перспективы космических технологий связаны с возможностями создания микросхем, устойчивых к радиации. Ученые продолжают поиск лучших решений для этой задачи. В электронике используют несколько типов микросхем: микроконтроллеры и процессоры, ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы), чипы памяти и так далее. Их удается защитить от радиации с разным успехом. Сложнее всего дело обстоит с памятью — как оперативной, так и энергонезависимой. Это связано с тем, что чаще всего современные чипы памяти хранят информацию — единицы и нули — как электрический заряд. Электрический заряд — это то, что меняется в первую очередь при попадании в чип ионизирующего излучения.

За последние пару лет электронная промышленность добилась заметных успехов в производстве радиационно-устойчивых микроконтроллеров. Микроконтроллер — это чип, который выполняет программу, написанную, например, на языке программирования С (иногда для этого используется и язык ассемблера). В бортовом компьютере космического аппарата микроконтроллер обрабатывает команды и управляет другими чипами. В частности, микроконтроллер отслеживает ток и временно обесточивает систему, если в ней резко возрастает напряжение. Это тоже помогает защитить устройство от действия радиации. Если отключить питание аппарата сразу после попадания в него заряженной частицы, его поломку можно избежать. Микроконтроллер не только управляет микросхемами, но и собирает с них данные и сохраняет их в памяти. Он может общаться с приемопередатчиком, который посылает данные от датчиков полезной нагрузки на наземную станцию. Таким образом инженеры получают важную информацию о температуре аппарата в разных местах. Отечественные и зарубежные производители вышли на очень хороший уровень производства радиационно-стойких микроконтроллеров — до уровня ARM Cortex M4F / M7. Отставание космических микроконтроллеров от наземных составляет всего несколько лет.

Бесконечно наращивать мощность микроконтроллера невозможно: разработчики сталкиваются с тем, что его внутренней памяти уже не хватает. Микроконтроллер можно заменить процессором: его производительность выше, а дополнительные внешние чипы перенимают некоторые функции, например программную память. Вместе с такой обвязкой из чипов-помощников и процессора получается компьютер. Однако сделать процессоры устойчивыми к радиации оказывается сложнее, чем микроконтроллеры: нам известны лишь отдельные успешные примеры. Существует американский радиационно-устойчивый компьютер RAD750 — легендарный космический прибор, который многократно доказал свою эффективность и надежность. Но использовать RAD750 в разработках слишком дорого: его стоимость исчисляется сотнями тысяч долларов, в то время как стоимость современных радиационно-стойких микроконтроллеров колеблется от 3 до 10 тысяч.

В то же время существуют ПЛИС, которые удается производить устойчивыми к радиации. Если при программировании микроконтроллеров и процессоров мы расписываем их действия во времени, шаг за шагом, то при программировании ПЛИС код описывает внутреннее устройство чипа — и все строчки кода работают не одна за другой, а параллельно друг с другом. За это ПЛИС любят многие разработчики: для них можно подбирать самые разные конфигурации. За гибкость приходится платить энергопотреблением, ценой и вычислительными мощностями. Если подобрать эффективную для решения одной задачи конфигурацию ПЛИС, можно произвести тысячу одинаковых чипов, чтобы с их помощью решать эту задачу в конкретных устройствах. Такие чипы называются ASIC (application-specific integrated circuit). Они выполняют лишь одну функцию и не могут быть перепрограммированы, но возможность серийного производства ощутимо снижает их стоимость.

Миниатюрные спутники CubeSat и интернет вещей

Развитие космических технологий во многом связано с эволюцией наземной электроники. Если 70 лет назад в одну ракету мы могли поместить лишь один спутник, то сегодня в нее можно поместить сразу сто. Это стало возможным благодаря законам масштабирования Мура и Деннарда — базовым принципам, определяющим развитие электронной промышленности. Законы Мура и Деннарда позволяют наращивать производительность устройств путем увеличения количества логических вентилей в микросхеме и уменьшения их размера. На основе тех же законов масштабирования можно создавать миниатюрные спутники из кубиков 10 х 10 х 10 см — кубсаты, то есть спутники формата CubeSat. Они устроены почти так же, как и большие космические аппараты: у них похожие системы жизнеобеспечения, те же системы ориентации в космическом пространстве, основанные на магнитных катушках или маховиках.

Кубсаты уступают большим аппаратам в функционале. Но их неоценимое преимущество — это низкая цена запуска, позволяющая университетам и школам запускать собственные спутники. Это важно для подготовки будущих кадров: образовательные учреждения могут дать молодым людям представление о работе космических спутников уже на входе в индустрию. Помимо этого, кубсаты позволяют нам экспериментально реализовать свежие идеи, для которых слишком затратно запускать большой аппарат. На кубсатах исследователи тестируют лазерную связь, проводят опыты по микрогравитации, изучают гамма-всплески и космическую погоду.

Кубсаты позволяют нам совместить исследования космоса с наработками в области интернета вещей — этим сейчас занимаются многие западные и австралийские стартапы, активно в этом направлении работает Китай. Суть технологии интернета вещей сводится к тому, что датчики устройств передают на базовые станции информацию, которую мы потом получаем с помощью интернета. Кубсат, запущенный в космос, собирает эту информацию с датчиков напрямую. Эта технология уже проходит испытания, но пока в ее применении есть некоторые технологические барьеры. Инженерам еще предстоит создать такой спутник, который освоит стандарты технологии сети для интернета вещей и сможет взаимодействовать с уже существующими датчиками.

Новые перспективы: искусственный интеллект и робототехника

Популярность нейросетей, искусственного интеллекта и робототехники в электронике, возможно, миновала свой пик. В наземных электронных разработках эти технологии применяются уже повсеместно. Новым трендом станет интеграция искусственного интеллекта в космическую электронику. Использование вычислительных мощностей в перспективе уменьшит роль управления с Земли.

Очевидный способ применения искусственного интеллекта в космических аппаратах — это обработка данных и, например, поиск планет. Но гораздо более интересный и многообещающий сценарий — роботизация. Космические роверы передвигаются очень медленно, потому что каждый их шаг управляется с Земли. За шесть лет марсоход Curiosity преодолел всего 18 километров. В то же время эти 18 километров беспилотный автомобиль преодолевает за 20–30 минут. Технологии, которые развиваются в беспилотных автомобилях, в течение 10–20 лет будут использоваться в роверах и на космических станциях. Если обучить роверы самостоятельно передвигаться или хотя бы ориентироваться на местности, они будут приносить ученым гораздо больше данных. В перспективе это даже может оказаться эффективнее, чем отправлять в космос человека.

Космические беспилотные технологии вряд ли будут работать на процессорах. Во-первых, процессоры сложно сделать устойчивыми к радиации. Во-вторых, нейросети на процессорах работают плохо. Действие нейросети устроено так, что несколько нейронов одного уровня работают параллельно, как в человеческом мозге. Одноядерный процессор единовременно выполняет только одну операцию. Поэтому, чтобы обработать код, симулирующий работу примитивного мозга, ему придется последовательно считать сигналы для каждого нейрона, произвести над ними расчеты, сделать из этого выводы — а это долго. Для беспилотных роверов нужны новые чипы — возможно, ими будут ПЛИС или ASIC. Они успешно реализуются в радиационно-стойком режиме, поэтому с их помощью у инженеров получится осуществить трансфер от наземных технологий к космическим.