專為太空設計的產品暴露在一些最惡劣的環境中。它們必須在劇烈振動、機械沖擊、寬溫度波動等條件下可靠運行。

很少有產品在清潔、無塵、溫度控制、無振動、類似實驗室的環境中運行。您的商品可能會受到以下一項或多項影響：

機械振動/沖擊

高壓或低壓（例如高海拔）

極端溫度

污垢/灰塵或其他污染物

濕度或濕度

電離輻射

電磁干擾（傳導或輻射）

靜電放電和瞬變

空間設計

專為太空設計的產品暴露在一些最惡劣的環境中。它們必須在劇烈振動、機械沖擊、寬溫度波動、真空環境和電離輻射下可靠運行。本文將分享Nuation Engineering在為空間系統Loral（SSL）建造的航天器設計24通道數據記錄器模塊時為外層空間環境實施的一些解決方案。

輻射

輻射是最具挑戰性的設計要求之一。太空中的產品受到來自太陽和其他恒星的各種高能粒子和電磁波的轟擊。這些電離輻射源會對電子設備造成短期干擾（例如位翻轉和存儲器擦除），并對半導體造成累積損壞。對于太空的長期任務（通常約為15年），唯一的選擇是使用抗輻射（又名“抗輻射”）組件。與標準組件相比，這些組件相對稀缺。抗輻射組件的成本可能是地面等效物的十到五百倍。

對于短期太空任務（一年或更短時間），有時允許在設計中使用標準的商用現成（又名“COTS”）組件，但須對其輻射耐受性進行分析和測試。這可以大大降低設計空間設備的成本，并擴大可用于設計的組件選擇。

Nuvation的航天器設計主要利用了COTS組件，并包括一些用于關鍵安全功能的抗輻射部件。通過在硬件和軟件中應用多種設計技術來應對輻射的影響，我們在組件選擇中實現了這種成本優化，例如：

PCB設計包括所有雜散金屬島的接地。

我們的設計工程師選擇了一種特殊的存儲技術，稱為“磁阻內存”，它對電離輻射特別耐受。

為了避免由于空間輻射效應導致代碼存儲器損壞，代碼存儲器IC的寫使能選通在飛行過程中斷開

在軟件中，關鍵內存記錄在 3 個不同的位置變得多余。該軟件不斷掃描這三個位置，以確定與其他兩個副本相比，一個副本中是否出現任何錯誤。如果出現錯誤，則會根據其他兩個正常副本更正該值。同樣的數據三重和比較原則適用于幾種不同的情況。

采用多級軟件和硬件看門狗，使系統能夠從任何類型的意外處理器故障中恢復。

這些設計方法的實施與包括一些抗輻射組件相結合，大大降低了與輻射損害影響相關的潛在風險。

沖擊和振動

航天器在上升過程中受到高g力和振動，并在每個分離階段經歷劇烈沖擊。Nuvation采用了多種設計方法來處理這些情況，包括：

PCBA包含在機加工的鋁制外殼中，該外殼具有許多單獨的旋入位置。每個螺釘都擰緊到規定的扭矩，然后用太空級環氧樹脂加固。

PCB上的所有組件都必須考慮其對沖擊和振動的耐受性。例如，由于2類陶瓷電容器容易產生壓電效應（即它們響應機械應力產生電荷），Nuvation的設計工程師最大限度地減少了其在關鍵模擬電路中的使用。

焊接到PCB上的大型或重型元件還用環氧樹脂粘合。

每件設備都需要進行廣泛的老化測試，然后才能獲得飛行認證。老化測試包括 48 小時壓力測試，包括 10 個熱/冷溫度循環，以及 4 個強度為 30 Grms 的 2 分鐘振動段。設備必須在整個 48 小時內保持通電并正常運行。這項廣泛的測試驗證了組件選擇和設計方法提供的產品可以承受航天器級分離的極端沖擊和振動事件。

硬真空

空間的另一個考慮因素是需要在硬真空中運行。雖然大多數COTS電子元件不是為在真空中使用而設計的，但只要充分注意散熱，其中許多元件就可以很好地工作。然而，由于對流傳熱不會在真空中發生，因此必須通過傳導或輻射傳熱來冷卻組件。

Nuvation Engineering設計了空間PCBA，通過實現以下內容，將組件中的所有熱量傳導引導到鋁制散熱器/外殼中：

PCBA表面的兩側都充斥著銅以幫助傳導。

將熱組件放置在靠近機柜固定位置的位置。

選擇性地將熱環氧樹脂應用于某些部件，以提高其對PCB的導電性。

真空傾向于導致滯留的氣體從組件或材料泄漏，這種效應稱為釋氣。由于這些氣體可能會干擾航天器上的其他傳感器或設備，因此必須根據其除氣潛力選擇PCBA上的所有組件。Nuvation的工程團隊還在電路板上涂上了一種特殊的低釋氣、空間額定保形密封膠，這提供了在地面操作期間保護PCBA免受污染的額外好處。

地球上的惡劣環境

雖然太空是一個惡劣的環境，但地球上可以找到一些最惡劣的環境。每年，許多Nuvation工程師都會為設計和建造電動和自動駕駛的突變車輛做出貢獻，該車輛被帶到內華達州沙漠一周。白天的溫度可以達到40°C（~104°F），晚上降至冰點以下。車輛暴露在崎嶇不平的道路上的高振動中，并且缺乏振動。沙塵暴將一切都覆蓋在一層薄薄的泥土中。電子設備的設計必須能夠承受較大的溫度波動（包括車輛本身產生的高溫）和高振動水平。考慮到任何沙漠的偏遠位置和危險條件，車輛的持續可靠運行至關重要。注意設計細節，例如采用防塵連接器/外殼，使灰塵/水遠離電子設備，有助于確保現場的可靠性。

重要的是要認識到，產品的最終用戶可能會將其暴露在不太理想的條件下。在為電網規模的儲能系統調試電池管理系統時，Nuvation工程師發現，來自電源轉換系統的輻射電噪聲足以在筆記本電腦上帶來可怕的藍屏死機，而筆記本電腦只是與嘈雜的系統在同一個房間里。

設置設計要求

電子設計的第一步是定義產品要求。Nuvation Engineering與我們的客戶合作，幫助在產品需求文檔（PRD）中捕獲這些要求。工程團隊在項目期間使用此文檔作為制定關鍵設計決策和執行驗證的參考。

在項目開始時記錄需求有助于避免以后發生重大的體系結構和設計更改。了解要求和約束使我們的工程師能夠提供最佳的架構和設計實現選項。盡早清除這些詳細信息可以更高效、更具成本效益地執行項目。重要的是，產品要求文檔指定了產品的環境要求。珠三角應回答的問題包括：

產品將暴露在什么溫度/濕度/壓力范圍內？

產品將受到什么程度的振動/沖擊？

產品是否會暴露在高水平的電噪聲中？

產品是否會暴露在污垢、灰塵或其他污染物中？

如有疑問，請執行第 0 階段

上述問題的答案用于生成設計要求，這些需求將影響產品的成功或失敗，以及（在惡劣的環境中，甚至可能超過）應用程序級功能。通常可以做出權衡決策，平衡成本、功能、工作范圍和性能，以產生滿足所需價位的可行產品。在Nuvation Engineering，我們將這種級別的前期調查稱為0階段，一種低成本的工程調查，使客戶能夠在繼續之前確定項目工作的可行性甚至可取性。通常，對產品要求的輕微修改（例如，您是否真的需要120 fps的4K視頻，或者單位成本的優先級更高）可以充分改變組件和設計要求，使項目更加可行。或者，如果階段 0 驗證產品需求是否按原樣完全可行，則從該工作生成的文檔將匯總到項目規劃文檔的第 1 階段，并且可以在生成物料清單 （BOM） 和設計方法時引用。對于具有技術風險的高度復雜的項目（即做以前從未做過的事情，或者以前從未嘗試過的方式），階段0提供可行性的工程驗證，并提出客戶可以用來驗證預算和確定后續步驟的設計方法。

讓環境更友好

一般來說，從源頭上處理問題更有效。不幸的是，這并不總是可能的。例如， 在為給定溫度范圍設計電路板時， 有許多選項可以處理極端溫度：

收緊產品的工作溫度額定值（如果您向用戶指定產品必須在 +85°C 以下運行，則可能不需要將產品設計為高達 +125°C 的溫度）。

選擇是否需要加熱電路， 冷卻電路， 或兩者， 管理電路板的溫度。

使用可以承受很寬溫度范圍的組件設計電路板。

類似的過程可用于處理信噪比（SNR）特性較差的傳感器。要考慮的選項包括：

使用更好的傳感器

使用硬件篩選

使用軟件篩選

接受糟糕的表現

正確的決定非常取決于具體情況。通常，決策矩陣用于通過評估設計平衡一系列因素（如成本、性能、可靠性、工作范圍等）的程度來確定最佳設計決策（見圖1）。

在創建決策矩陣的權重分布（相對重要性）時，Nuvation Engineering與客戶合作，確定設計決策的關鍵驅動因素的優先級。這些因素通常包括：

成本

性能

功能集

可靠性

附表

總結

在為外層空間或更地面和世俗的目的設計產品時，必須始終在設計中考慮一定程度的抗苛處理或不太理想的環境條件。我們都把電視遙控器掉在地板上（不止一次！），在雨中使用手機，甚至可能不小心把我們的智能手表撞到了門把手上。當這些產品幸存下來時，是因為設計師預料到了這些場景。在極端惡劣的環境中，例如外太空的寒冷真空或沙漠的高溫和灰塵，設計考慮因素對產品的可行性變得更加重要，從設計角度來看，解決方案變得更加復雜。

無論您是在設計電視遙控器還是衛星系統組件，工程規劃工作都圍繞相同的規劃決策展開。

確定產品可能遭受的濫用類型。

定義產品必須無故障運行的環境條件范圍。

做出設計決策，確保產品在其環境中幸存下來，并承受將對其產生影響的預期力量。

查看產品要求，找到平衡成本與功能和彈性的方法。

探索在不影響功能的情況下降低成本的創新方法，例如我們在軟件中采用冗余設計、接地以防止 ESD 或利用保形密封劑保護組件的示例。

審核編輯：郭婷