TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / 04.03.2004 / strona 1 Wykład.

Prezentacja na temat: "TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / 04.03.2004 / strona 1 Wykład."— Zapis prezentacji:

1 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 1 Wykład 2 – – wymagania środowiskowe i testy Próżnia – problemy mechaniczne i cieplne, Narażenia mechaniczne, Radiacja i jego wpływ na elementy elektroniczne Przerwa Testy wytrzymałościowe, Testy cieplne w komorach próżniowych, Testy EMC, Clean-room, Aparatura MGSE i EGSE, Bazy danych służących do testów i późniejszego sterowania aparaturą, Przerwa, Interaktywna próba zaprojektowania urządzenia – na przykładzie penetratora w misji Rosetta.

2 Próżnia – problemy mechaniczne
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 2 Próżnia – problemy mechaniczne Gazowanie materiałów, Dobór materiałów, dobór pokryć Sklejanie się wzajemnie kontaktujących się ze sobą powierzchni, Inne charakterystyki współczynnika tarcia, Problemy związane ze smarowaniem, Problemy związane z ruchomymi kontaktami elektrycznymi - np.. brak odpowiednika grafitu używanego w silnikach komutatorowych Ochrona materiałów przed korozją w czasie testów na Ziemi, „Tribology for Spacecraft” - kurs organizowany przez European Space Tribology Laboratory, Stress corrosion - ESA PSS , Flammability - ESA PSS , Offgasing and toxic analysis ESA PSS , Guideliness for materials selection - ESA PSS Materials selection for controlling stress-corrosion craking - ESA PSS , i wiele, wiele innych

3 Nagrzewanie przez Słońce, stała słoneczna 1367W/m2
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 3 Próżnia – problemy cieplne Nagrzewanie przez Słońce, stała słoneczna 1367W/m2 Chłodzenie poprzez wypromieniowanie w przestrzeń kosmiczną, szczątkowe promieniowanie mokrofalowe odpowiadające temperaturze 2.7K Wewnętrzne źródła energii: Akumulatory, ogniwa jądrowe, baterie słoneczne.

4 Próżnia – problemy cieplne
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 4 Próżnia – problemy cieplne Metody stabilizacji temperatury satelity i aparatury na nim umieszczonej: Obrót satelity, Naturalny transfer ciepła ze strony oświetlonej na stronę zaciemnioną, Wymuszony transfer ciepła ze strony oświetlonej na stronę zaciemnioną, Dodatkowe radiatory umieszczane po stronie zaciemnionej, Podgrzewanie niektórych fragmentów satelity i części aparatury, Powłoki odbijające lub zaczernianie powierzchni, Specjalne warstwy izolacyjne (Multi Layer Isolation). Typowe temperatury pracy aparatury dobrze połączonej termicznie z satelitą: Integral, Cluster, SMART1 (okołoziemskie) – min.-15oC, max. 40oC, Mars Express – min.-10oC, max. 40oC, skaner pracujący częściowo w otwartej przestrzeni min.-20oC, max. 50oC Herschel, Planck - min.-25oC, max. 40oC, Rosetta (lądownik na komecie) - min.-160oC, max. 80oC. Typowe temperatury pracy elementów wysuniętych daleko od satelity –zakres temperatur od kilkudziesięciu Kelwinów do około trzystu Kelwinów Thermal vacuum - ESA PSS , Thermal cycling - ESA PSS ,

5 Narażenia mechaniczne
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 5 Wibracje i efekty akustyczne występują przede wszystkim w czasie startu. Wywołane są: odbiciem się fali dźwiękowej od platformy startowej, działaniem głównych i pomocniczych silników rakiety, turbulencjami związanymi z przechodzeniem rakiety przez kolejne warstwy atmosfery. W czasie startu i po osiągnięciu orbity (koniec pracy ostatniego stopnia) należy liczyć się z efektami wywołanymi odpalaniem ładunków pirotechnicznych - odłączanie się kolejnych stopni, otwarcie kapsuły, odłączenie się satelity, otwieranie niektórych mechanizmów. Manewrowanie na orbicie z reguły nie stanowi problemu dla aparatury (wyjątki - czujniki mikrograwitacji, mechanizmy o dużej bezwładności) Narażenia mechaniczne

6 Radiacja i jej wpływ na elementy elektroniczne
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 6 Radiacja i jej wpływ na elementy elektroniczne Promieniowanie kosmiczne (galaktyczne) to głównie protony o energiach 1Mev do 1GeV (86%), cząstki alfa (13%), jądra pierwiastków cięższych, elektrony i kwanty gamma o energiach dochodzących do 108GeV. Wiatr słoneczny to głównie strumień protonów zmieniający się wraz ze zmianami aktywności Słońca (nawet o 5 do 7 rzędów wielkości). Elektrony i protony oraz inne, naładowane cząstki występujące w promieniowaniu kosmicznym i mające z reguły dużą energię stanowią poważny problem występujący przy projektowaniu aparatury pomiarowej: Przy bardzo dużych dawkach napromieniowania mogą występować defekty struktury krystalicznej w metalach; w polimerach mogą wystąpić zjawiska rozrywania łańcuchów i gazowania, Naprawdę istotny jest wpływ radiacji na elementy elektroniczne. Wyrózniamy dwie kategorie zjawisk związanych z tym wpływem: efekty kumulowania dawki promieniowania (total dose) i związanej z tym, powolnej degradacji półprzewodników, a tym samym powolnej zmianie parametrów nominalnych elementów elektronicznych), oraz efekty nazywane „Single Event Effects” (SEE) polegające na gwałtownej zmianie parametrów lub nawet awarii elementu pod wpływem jednorazowej, bardzo dużej dawki promieniowania.

7 Radiacja i jej wpływ na elementy elektroniczne
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 7 Radiacja i jej wpływ na elementy elektroniczne Efekty kumulowania promieniowania występują w czasie całej pracy urządzenia na orbicie. Podstawową przyczyną tego zjawiska jest przekazanie energii promieniowania do warstwy izolacyjnej (np. tlenek krzemu) w półprzewodniku. Energia może być pozostawiona przez neutrony lub cząstki zjonizowane. Wpływ neutronów widać wyraźnie w przypadku struktur tranzystorów bipolarnych. Prąd kolektora w tranzystorach może być znacznie zredukowany przez redukcję czasu życia nośników mniejszościowych w półprzewodniku. Z kolei wpływ cząstek zjonizowanych, jakkolwiek mniej istotny w strukturach bipolarnych, wywołuje pogorszenie wzmocnienia tranzystora i zwiększa prąd upływu. Efekt ten można zmniejszyć przez stosowanie technologii głębszego domieszkowania. Elementami bardzo czułymi na efekty kumulacji dawki promieniowania są optoizolatory. Szczególnie w zastosowaniach liniowych, gdzie istotną rolę odgrywa liniowość lub stabilność charakterystyki przejściowej optoizolatora, wszelkie zmiany sprawności emitera (LED) i czułości odbiornika (fotodioda lub fototranzystor) wywołane radiacją stanowią duży problem przy projektowaniu. W strukturach typu MOS zdecydowanie większy wpływ ma dawka promieniowania zjonizowanego. Obserwowane są zjawiska zmiany przewodności kanałów tranzystorów a nawet poziomów ich przełączania. Należy jeszcze raz podkreślić, że wszelkie zjawiska wymienione powyżej mają charakter ciągły i zależą od czasu pracy urządzenia.

8 Radiacja i jej wpływ na elementy elektroniczne
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 8 Radiacja i jej wpływ na elementy elektroniczne Single Event Effects - pojedyncza, wysokoenergetyczna cząstka przechodząc przez strukturę półprzewodnika może wywołać zjawisko przełączenia lub nawet zniszczenia elementu. Zjawisko to występuje w przypadku gdy element jest zasilany (pracuje). Wyróżniamy następujące kategorie SEE: Single Event Upset - zjawisko przejściowe, po ponownym włączeniu element pracuje poprawnie. Przejście wysokoenergetycznej cząstki powoduje powstanie dodatkowego kanału złożonego z dziur i elektronów i tym samym np. przełączenie się komórki pamięci. Single Event Burnout - przejście wysokoenergetycznej cząstki otwiera dodatkowy, pasożytniczy tranzystor w strukturze półprzewodnika. Znaczne zwiększenie prądu z tym związane może być sztucznie podtrzymane przez strukturę (efekt sprzężenia zwrotnego) i prowadzić do kolejnego wzrostu prądu, aż do trwałego przepalenia. Single Event Gate Rupture - ciężkie, wysokoenergetyczne jony uderzając w niektóre fragmenty struktury MOSFEF mogą spowodować trwałe zniszczenie dielektryka w bramce tranzystora Single Event Latchup - przejście wysokoenergetycznej cząstki zatrzaskuje istniejące wewnątrz struktury układy w takim, nieprzewidzianym w normalnej pracy stanie, że powoduje to znaczne zwiększenie prądu układu. Jeśli nie istnieje w tym momencie możliwość wyłączenia zasilania, to następuje przepalenie się struktury.

9 Promieniowanie i jego wpływ na elementy elektroniczne
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 9 Promieniowanie i jego wpływ na elementy elektroniczne „JPL's first spacecraft, Explorer 1, carried a single scientific instrument devised and operated by James Van Allen and his team from the University of Iowa. The experiment discovered bands of rapidly moving charged particles trapped by Earth's magnetic field in a doughnut-shaped region surrounding the equator. The belts that carry Van Allen's name have two areas of maximum density. The inner region, consisting largely of protons with an energy greater than 30 million EV, is centered about 3,000 km above Earth's surface. The outer belt is centered about 15,000 to 20,000 km up, and contains electrons with energies in the hundreds of millions of EV. It also has a high flux of protons, although of lower energies than those in the inner belt. Flight within these belts can be dangerous to electronics and to humans because of the destructive effects the particles have as they penetrate microelectronic circuits or living cells. Most Earth-orbiting spacecraft are operated high enough, or low enough, to avoid the belts. The inner belt, however, has an annoying portion called the South Atlantic Anomaly (SAA) which extends down into low-earth-orbital altitudes. The SAA can be expected to cause problems with spacecraft which pass through it.”

10 JPL - widok laboratoriów testowych
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 10 JPL - widok laboratoriów testowych ESTEC - widok laboratoriów testowych

11 Testy wytrzymałościowe: poszukiwanie rezonansów;
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 11 Testy wytrzymałościowe: poszukiwanie rezonansów; wymuszenia typu “random”, wymuszenia sinusoidalne, wymuszenia typu “shock”, testy akustyczne.

12 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 12

13 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 13

14 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 14

15 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 15

16 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 16

17 THE MECHANICAL TEST FACILITIES AT ESTEC
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 17 THE MECHANICAL TEST FACILITIES AT ESTEC Three electrodynamic shakers are available: – an 80 kN shaker used in vertical or horizontal configuration coupled to an auxiliary slip table; – two 160 kN shakers which can either be used individually for testing subsystems or in multishaker configuration to enlarge the capacity of the facility. The shakers are electrically powered with switching amplifiers and controlled using a digital vibration control system. The multishaker facility, which has been operational since January1985, can efficiently and safely test spacecraft with a mass of up to 6000 kg in vertical and kg in horizontal direction.

18 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 18 The multishaker system is mounted on a 550 ton seismic block supported by pneumatic springs so as to minimise reaction forces to the building. In the 320kN or multishaker mode, tests can be performed in both vertical and horizontal configurations, thus making it possible to simulate the effect of launch vibrations in the three orthogonal axes of the spacecraft.

19 THE HYDRA MULTI-AXIS SHAKER
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 19 THE HYDRA MULTI-AXIS SHAKER A powerful tool for vibration testing at ESTEC HYDRA hydraulic shaker is distinguished by the following main features compared with conventional electrodynamic shakers: – extended shaker forces and stroke – extended frequency range below 5 Hz – improved test operations and safety.

20 THE LARGE EUROPEAN ACOUSTIC FACILITY AT ESTEC
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 20 THE LARGE EUROPEAN ACOUSTIC FACILITY AT ESTEC

21 Kombinowane testy wibracyjne i termiczne w RAL
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 21 Kombinowane testy wibracyjne i termiczne w RAL

22 Testy cieplne w komorach próżniowych,
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 22 Testy cieplne w komorach próżniowych, T max Zakres nominalnej pracy przyrządu T min

23 Komora termiczno - próżniowa;
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 23 Komora termiczno - próżniowa; elementy składowe stabilizowany termicznie płaszcz wewnętrzny, obudowa komory próżniowej, instrument poddawany testom, przepusty elektryczne, stabilizowany termicznie stół, hermetyczne zamknięcie obudowy, pompy próżniowe (niewidoczne, pod komorą), elementy chłodzenia komory, okno do podglądu,

24 Przykłady różnych rozwiązań komór termiczno - próżniowych
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 24 Przykłady różnych rozwiązań komór termiczno - próżniowych IFSI CNR, koło Rzymu ESTEC, Noordwijk, Holandia Laben SpAA, Mediolan RAL koło Oxfordu,

25 THE LARGE SPACE SIMULATOR (LSC) at ESTEC
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 25 THE LARGE SPACE SIMULATOR (LSC) at ESTEC The LSS chamber, with an overall volume of 2150 m3: a vertical cylinder, the top flange of which forms a removable lid for easy loading into the chamber. An additional 5 m door – with a man-door let into it for fast access – is also available on the lower, test-floor, level. The chamber contains a stable specimen support platform which, because it is insulated from both chamber and building movements, has a low mechanical noise level (less than l0-3 g), a point of significant importance for dynamic tests, optical calibrations and heat-pipe operations during heat balance phases. Numerous flanges and ports for instrumentation, observation and, in particular, for photogrammetric equipment are also available thus ensuring that deformation tests can be carried out on specimens during vacuum andthermal testing; The sun simulator provides a horizontal solar beam of 6 m in diameter with excellent uniformity and very high long- and short-term stability (<0.5%). An intensity level of 1 solar constant (approximately 1360 Watts per square metre) can be achieved by operating 12 of the available 19 Xenon lamp modules at a nominal power of 20 kW per lamp. The sun simulator thus has a high degree of redundancy which means that tests can be carried out over long durations or at elevated intensities.

26 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 26 Dane techniczne LSC

27 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 27 “Clean-room” - czyste pomieszczenie przeznaczone do montażu i testów aparatury kosmicznej: klasa podstawowa klasa czystości używana do montażu elektroniki, mechaniki, w pomieszczeniach tej klasy testuje się satelity i urządzenia satelitarne, klasa ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie nie występuje potrzeba zapewnienia lepszej czystości dla elementów optyki i mechaniki, klasa czasami wymienna z ; używana do montażu, integracji i testów złożonych mechanizmów i optyki, klasa specyfikowana dla montażu, justowania i testów optyki, używana przy niektórych procesach technologicznych, montażu układów hybrydowych, klasa 100 i lepsze - główne zastosowanie przy procesach technologicznych i montażu bardzo skomplikowanej optyki. Stosowane filtry: Filtry wstępne (Coarse Filters); efektywność dla cząsteczek o średnicy 80m i większych (owady, włókna, piasek, pyłki kwiatowe, pył metalurgiczny), Filtry dokładne (Fine Filters); efektywność dla cząsteczek o średnicy 0.5 (1.0) m i większych (sadze, mgła olejowa, zarodniki grzybów, pyły) HEPA (High-Efficiency particulate Air); efektywność 99.99% dla cząsteczek o średnicy 0.3m i większych (bakterie, dym tytoniowy, aerozole) ULPA (Ultra-Low Penetration Air); efektywność % dla cząsteczek o średnicy 0.128m i większych(wszystkie rodzaje dymów i aerozoli, wirusy) Ilość całkowitych wymian powietrza (w ciągu godziny) w pomieszczeniu o zadanej klasie czystości:

28 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 28 RAL pomieszczenie klasy 100 używane do składowania elementów optycznych CBK PAN namiot o klasie w pomieszczeniu MPIfR Bonn klasa ze stanowiskiem klasy 1000 RAL komora laminarna o klasie czystości 100

29 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 29 Observatoire de Medoun - clean room klasy 1000 używany do montażu optyki spektrometru UV-IR dla misji Mars Express NPO ENERGI, Kaliningrad koło Moskwy -montaż modułu PRIRODA dla stacji orbitalnej MIR - pomieszczenia klasy

30 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 30 Testy EMC Conductive Emission - pomiary zakłóceń w kablach wychodzących z przyrządu Przykład filtrów stosowanych dla zmniejszenia zakłóceń elektromagnetycznych wytwarzanych przez przyrząd Radiated Emission - pomiary zakłóceń w polu elektromagnetycznym wokół przyrządu

31 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 31 Testy EMC Radiated Susceptibility - pomiary odporności przyrządu na zakłócenia w polu elektromagnetycznym

32 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 32 Testy EMC Testy ESD - badanie odporności przyrządu na wyładowania elektrostatyczne

33 TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 33 Aparatura MGSE i EGSE,

34 Bazy danych służących do testów i późniejszego sterowania aparaturą
TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 2 / / strona 34 Zawierają pełną charakterystykę urządzenia: struktury komend sterujących przyrządem, pojedyncze komendy i przetestowane sekwencje komend służące do sterowania przyrządem, tablice współczynników używanych w komendach sterujących i algorytmy przeliczania parametrów naukowych na parametry” inżynierskie”( np. w formacie hex), bezpieczne dla aparatury zakresy, w których mogą zmieniać się parametry komend sterujących zakresy, w których mogą się zmieniać dane serwisowe pochodzące z przyrządu, wartości krytyczne i wartości świadczące o awarii, porównawcze pliki danych serwisowych umożliwiające szybką ocenę poprawności pracy przyrządu na orbicie, tabele współczynników i algorytmy obróbki używane przy konwersji danych pochodzących z przyrządów Bazy danych tworzone są już przy pierwszych modelach poddawanych testom i uaktualniane przez cały czas eksploatacji aparatury. Bazy danych służących do testów i późniejszego sterowania aparaturą