1.2.2 主要特点
1)长寿命适应性
地球静止轨道卫星的星载计算机设计寿命一般可达8~10年,近地轨道卫星的星载计算机设计寿命一般为2~5年。由于不可维修性,星载计算机设计寿命时间是卫星的重要指标之一。星载计算机长寿命还包含两个特性:储存时间长和在轨时间长。
(1)储存时间长。在以往的常规研制流程中,一般卫星的生产模式为单星研制、单星发射,卫星在完成总装、试验后随即发射,即使存放,时间也较短,相比同为航天产品的武器装备的储存时间更是短暂。我国成功发射的卫星的地面研制时间一般不超过3年,因此很少有人关注地面储存对卫星结构的影响情况。然而,卫星星座和快速响应卫星的研制呈现出“批量化生产、按需发射”的特点,星座等类型的卫星地面储存时间为3~15年,因此长期储存已成为卫星研制中一种新的环境条件和影响卫星性能的重要因素。长期储存后的星内单机设备存在老化失效风险,星上结构板存在复合材料性能衰退及外形变化等风险,胶黏剂等辅助材料的各项性能指标亦可能退化。
(2)在轨时间长。在轨运行时间较长的卫星寿命可达十几年,这也就意味着计算机程序要同步运行十几年不能出现问题。高可靠是一项艰巨的系统工程,它与空间环境如辐射带、太阳耀斑质子、银河宇宙射线、地磁亚暴、真空和低温等密切相关。国内外经验证明:卫星寿命越长,其环境故障的概率越高。环境对卫星的损伤分为累积损伤和瞬时损伤。环境损伤会使卫星寿命后期的故障不断升高。美国1971—1986年发射的地球同步轨道卫星所产生的1 589次异常事件中,有70%与空间环境有关。长寿命高可靠卫星的设计必须以寿命末期环境退化数据为依据,没有这些数据或者这些数据不准确,卫星的长寿命高可靠将无法得到保证。因此,准确掌握空间环境对卫星的长期退化影响是卫星长寿命高可靠系统工程的重要技术基础之一,长寿命卫星的空间环境评估、验证和保障技术研究是非常必要和迫切的。
2)高可靠适应性
星载计算机是卫星平台的中枢神经,随着航天工程复杂性的不断提高,设备对计算机的要求越来越高。航天电子产品不仅要耐受火箭起飞时的冲击、振动等苛刻的力学环境,而且要承受宇宙空间的高温、低温、高真空和高辐射等极端条件;另外,由于在空间环境条件下电子产品的可维护性非常差,而且一旦发生故障,其后果往往比较严重,甚至是致命的,因此相比普通计算机,星载计算机的可靠性要求更高。
星载计算机系统是卫星内部最为核心的部件,其可靠性会直接影响整个卫星系统的可靠运行。具体分析如下:
(1)因为卫星所处的空间环境非常恶劣,空间辐射和高能粒子会对星载计算机系统的内部元件造成各式各样的损伤,进而导致星载计算机系统产生故障。
(2)通常而言一颗卫星的成本是非常高的,如果因为系统的可靠性原因对卫星的使用寿命造成一定的影响甚至直接导致卫星系统失效,将会是一个巨大的损失。
(3)系统经常发生故障会更大概率打断卫星任务的连续运行,特别是当卫星在进行一些关键任务或非常致命的操作时,保证星载计算机系统的连续运行非常重要;比如在对卫星进行变轨的时候,如果星载计算机系统发生故障,很可能会导致卫星姿态失稳,陷入高速旋转的状态,这对卫星而言是非常危险的。
基于上述,提高系统可靠性因而也一直是星载计算机系统的一个重要发展方向。
3)环境适应性
与地面设备相比,星载计算机要经历复杂空间环境应力的考验,因此针对特殊的空间环境要求对星载计算机进行空间环境适应性设计,是确保其在轨长寿命、高可靠工作的重要内容。卫星所处环境主要包含力学环境、放气、静电放电、原子氧、热真空、微型天体和太空垃圾、高能粒子辐射等。
(1)力学环境。关于卫星与运载火箭的力学环境,并没有一个严格的分类标准,按照频率范围大致可将其划分为准静态加速度环境、类周期振动环境、瞬态环境(低频瞬态环境和高频瞬态环境)、随机振动环境和声环境等,见表1- 3。
表1-3 力学环境分类
(2)静电放电。与人体带电放电的原理类似,在轨飞行的航天器也会带电,当电荷积累到一定程度时会产生静电放电现象,严重时就会引发航天器故障。
在轨飞行的航天器会遭遇空间等离子体环境和高能带电粒子辐射环境,这些环境中的带电粒子与航天器相互作用,会在航天器局部产生沉积电荷,电荷的积累就会使航天器带电。轻微的带电不一定会引发异常或故障,但当航天器带电积累到一定程度时,会引发静电放电。静电放电所形成的电磁脉冲,会对航天器内的电子系统造成干扰,从而引发仪器故障,严重时还会造成航天火灾等危险事故。
(3)温度变化。卫星在轨飞行时,存在高温和低温两种环境。在数百千米到数千千米的高空,非常稀薄的气体不能阻挡太阳的照射,没有传导与对流散热,太阳直接照射的卫星表面如果不加防护,卫星的温度很快就会升高;而当卫星飞行到地球的另一面时就进入阴影区,得不到太阳的热量,温度又会很快地降低,致使卫星在-100~100℃这种交变温度下工作。
(4)真空。真空环境的大气密度基本上是随着高度的增加呈指数规律下降。卫星运行轨道高度不同,真空度也不同,轨道越高,真空度越高。真空环境产生的影响包括压力差效应、真空放电效应、辐射传热效应、真空出气效应、材料蒸发、升华和分解的效应、黏着和冷焊的效应、真空泄漏效应。
(5)辐照环境。卫星或空间飞行器等电子系统中应用的半导体器件,会不可避免地受到空间辐射环境的影响。随着航天器敏感表面增多、微电子线路集成度提高,其对空间粒子辐照环境效应日益敏感,粒子辐照环境已成为现代卫星设计必须考虑的基本因素。