«Солнечный парус» спасли космические лучи?

21 мая с американского космодрома Канаверал был запущен секретный военный шаттл и вместе с ним так называемый «Солнечный парус» (LightSail ). Что касается шаттла, то он успешно реализует свои военные задачи. А вот с «парусом» вышла незадача, причем довольно забавная. Российские слесари-сборщики, периодически втыкающие датчики угловой скорости на ракете вверх ногами, отдыхают.

Спутник LightSail успешно вышел на орбиту, в течение двух дней исправно слал телеметрию, а потом исчез. Замолчал, как партизан на допросе. Американские инженеры провели довольно веселые выходные. В итоге к радиолюбителям всего мира обратились с призывом помочь в спасении «Солнечного паруса». Через несколько часов откликнулся радиолюбитель Ken Swaggart (W7KKE) из Lincoln City, штат Орегон, который смог получить полный пакет телеметрических данных со спутника.

За два дня получили 140 пакетов телеметрии. Спутник был в полном порядке. Но у него «глючило» программное обеспечение на базе Linux. Каждые 15 секунд спутник отправлял сигнал радиомаяка. Одновременно данные дописывались в файл beacon.csv. Настал момент, когда файл занял всё доступное пространство памяти в 32 мегабайта и спутниковое ПО, как говорят, «упало». Вроде бы производитель платы управления уже имел версию ПО с исправленной ошибкой, но спутник не был обновлен до актуальной версии. Типа забыли. В пятницу команда управления получила уведомление об ошибке в ПО и готовилась к дистанционному обновлению ПО спутника при следующем прохождении его в зоне видимости станции, но спутник завис раньше.

Команда стала пытаться перезагрузить ПО спутника дистанционно, но не смогла. Тогда американцы заявили, что надеются, что микросхемы «Солнечного паруса» сможет перезагрузить космическое излучение «Солнечного паруса». Через несколько недель и впрямь, космические лучи спасли зависшее ПО спутника, причем гораздо быстрее.

Это официальная версия американцев. Но в ней есть очевидная несуразица. О ней я расскажу позже.

А что же еще могло вывести, пусть ненадолго, ПО спутника?

LightSail был создан группой энтузиастов, которых поддерживает The Planetary Society — некоммерческое объединение, основанное знаменитым астрономом Карлом Саганом и другими известными учеными.

Стоимость разработки LightSail-1 составляет 1,8 млн долларов, а весь проект обошелся всего в 4,5 миллионов долларов США. Это очень немного, если сравнивать с другими космическими аппаратами, особенно военного назначения.

И в этом возможно причина возникшей на спутнике неполадки. При столь небольшом бюджете я почти уверен, что в нем использованы простенькие «гражданские чипы», которые не защищены от космического излучения.

Главное требование к микросхемам для космоса - стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами (ТЗЧ) космической радиации.

На западе микросхемы делятся на четыре категории:

Commercial — обычные, самые массовые микросхемы для домашних и офисных продуктов в пластиковом корпусе, обычно рассчитанные на диапазон температур 0-75C.

Industrial/Military — обычные микросхемы, но с дополнительным тестированием, рассчитанные на чуть более широкий температурный диапазон(-40-125С) и опционально — в металлокерамическом корпусе (микросхемы, не прошедшие дополнительные тесты — могут быть проданы как Commercial).

Space — радиационно-стойкие микросхемы для космического применения. Только в металлокерамике. На микросхемы Military и особенно Space существуют ограничения на продажу стратегическим непартнерам, то есть России, например, — нужно получать специальные разрешения, и нам их если и продают — то только для гражданской техники (например, условно гражданский ГЛОНАСС).

Космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), небольшого количества более тяжелых атомов и электронов. Звезды, включая Солнце, ядра галактик, Млечный путь — светят не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением.

Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в транзисторах начинает постепенно накапливаться заряд, начинают медленно изменятся их параметры — пороговое напряжение и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать.

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи».

Самая большая проблема космической электроники — тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ). Они имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей.

Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — импортные микросхемы (не иначе - тайваньские) дали сбой уже на втором витке. Причиной могут быть только ТЗЧ.

Мне представляется, что именно тяжелые заряженные частицы вывели из строя программное обеспечение LightSail.

Теперь вернемся к официальной версии программного сбоя. Согласно ей ПО спутника вышло из строя просто из-за того, что переполнился файл, что привело к зависанию компьютера. Космическое излучение якобы никак не повлияло на работу бортового компьютера. Ну, гамма и рентгеновские лучи влияют очень медленно, их отбросим в сторону. А вот ТЗЧ влияют сразу, пробивая и спутник и чипы насквозь, и вызывая тиристорный эффект. Если в течение двух первых дней полета в космосе ТЗЧ никак ничего не пробивали, и спутник «пропал» из-за переполнения упомянутого файла, то с какого перепугу ТЗЧ стали пробивать и влиять спутниковые чипы после восьми дней молчания, 30 мая? Законы физики, что ли, изменились? Это вряд ли. Поэтому официальная версия неверна.

Эффективный диаметр трека ТЗЧ – порядка микрона, что существенно больше размеров логических элементов в современных технологиях. Поэтому от попадания одной частицы могут сбиться одновременно несколько элементов, например ячеек кэш-памяти.

При попадании ТЗЧ в транзистор может возникнуть не только однократный сбой, но и условно-жесткий отказ, вызванный тиристорным эффектом («защелка» или latchup на профессиональном жаргоне).

Возникает паразитарная полупроводниковая pnpn – структура, известная как тиристор – электронный ключ. Тиристор переходит в состояние высокой проводимости и схема «защелкивается».

Тиристорный эффект сбрасывается отключением питания, или перезагрузкой, которую обычно выполняет простенькая схема из одного резистора и одного конденсатора, то есть RC-цепочка под названием Watchdog, или сторожевой таймер. Ее стоимость близка к нулю, но создатели этого спутника почему-то на вочдоге сэкономили. У них вочдог был программный, и якобы ПО забыли обновить. Дистанционно им перегрузить ПО не удалось, но космические лучи помогли, еще раз устроив перезагрузку ПО. Я, признаться, пока не разобрался досконально в этом эффекте снятия тиристорного защелкивания теми же космическими частицами, которые его вызвали, но не демон же Максвелла, специалист по сортировке атомов в микромире, это сделал? Американцы точно также путаются в этих космических соснах. Они ожидали, что спутник будет в отказе целый месяц, а он молчал всего неделю. Может быть группа энтузиастов, управляющая полетом спутника, состоит из дилетантов? Если так, то мы наблюдаем в США настоящую системную деградацию космической отрасли.

Применение дешевеньких чипов из категории Commercial или даже Industrial/Military, которые не выдержали потока ТЗЧ, на LightSail весьма вероятно и даже ожидаемо. Бортовой компьютер на марсоходе «Кюрьозити», выпущенный компанией компании BAE Systems стоит сотни тысяч долларов(например, RAD750- 200 тысяч долл.) и группе энтузиастов, создавших «Солнечный парус» не по карману.

Справка:

Микросхемы космического назначения – это эпитаксиальные чипы с изолированными транзисторами. Эпитаксиальный — это значит чип, у которого кремний тонким слоем (<100nm) нанесен на диэлектрик (сапфир или кварц), и все транзисторы огорожены изолирующим "забором" из кварца. Такою структуру никакой протон не защелкнет. Для еще большей надежности, делают вокруг кольцевую зону, легированную золотом (guard zone).

В отсутствии вочдога американцы вроде бы признались, хоть и косвенно. А вот в использовании негодных чипов – пока нет. Поэтому я и выдвинул свою версию досадной неполадки на замечательном «Солнечном парусе», запущенном пока что с чисто тестовой миссией.

Кстати, в США считают, что идея солнечного паруса принадлежит Карлу Сагану, а не нашему Фридриху Цандеру. А первой женщиной в космосе по их версии была астронавтка Салли Рейд, а не Валентина Терешкова.

Маленькая ложь рождает большое недоверие. Так что мои сомнения по поводу истинных причин космической аварии с «Солнечным парусом» имеют серьезное основание.

Справка:

Идея солнечного паруса принадлежит советскому инженеру Фридриху Цандеру. Он предложил идею космического аппарата, ускоряемого импульсом отраженных им электромагнитных фотонов. Мгут быть несколько типов фотонных парусных судов: лазерные (ускоряемые лазерными лучами), мазерные (ускоряемые коллимированными пучками волн СВЧ-диапазона) и солнечные.

Помимо малой массы и высокой отражательной способности солнечный парус должен быть изготовлен из жаропрочного материала, поскольку нагрев от отражаемых фотонов может быть весьма серьезным.

Солнечные паруса могут использоваться для наблюдения за Солнцем. Такой аппарат сможет заранее предупреждать о солнечных вспышках приближающихся к Земле. Если использовать материалы, способные выдержать радиацию, порождаемую многократным прохождением через околоземные радиоактивные пояса Ван-Аллена, то эти аппараты смогут обеспечивать устойчивое положение групп искусственных спутников Земли на различных орбитах в пределах земной магнитосферы. Солнечные паруса могут использоваться для высокоширотной спутниковой связи, исследования климата Земли. Они могут долететь до ближних к нам звездам со скоростью при покидании Солнечной системы свыше 1000 км/с. Путешествие в один конец до ближайших звезд (Проксима и Альфа Центавра) потребует от такого аппарата около 1000 лет. Развитие лазерных и мазерных технологий значительно уменьшит продолжительность межзвездных перелетов. Если оседлать так называемый солнечный ветер, то до Проксимы Центавра можно долететь всего за 40 лет.

Как говорится, через тернии – к звездам!

Автор: Владимир Прохватилов, Президент Фонда реальной политики (Realpolitik), эксперт Академии военных наук

Добавляйте CСб в свои источники дзен