從運(yùn)算放大器、邏輯功能芯片到高端處理器等基本抗輻射器件已經(jīng)存在多年，并提供多種輻射耐受等級。盡管抗輻射是必要條件之一，僅靠器件本身并不足以保證整個電路的抗輻射性能。

我一直對一些“軟法”感興趣，例如意想不到或無法預(yù)見的后果定律。根據(jù)許多實(shí)例顯示，長期的因果關(guān)系——無論是有利或有害——都可能相互影響，甚至形成一種正反饋的自我強(qiáng)化循環(huán)。

近期我們目睹了低地球軌道(LEO，距地表約500至2,000km)和中地球軌道(MEO，距地表約2,000至36,000km)等衛(wèi)星的大量部署，帶來了許多令人欣喜的后續(xù)效應(yīng)。在這些衛(wèi)星的多數(shù)內(nèi)部功能中，尤其是電源子系統(tǒng)(這是所有衛(wèi)星都不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施)，現(xiàn)已逐步轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)可供應(yīng)的現(xiàn)成產(chǎn)品。

目前究竟有多少顆LEO和其他衛(wèi)星正運(yùn)行中？這是一個復(fù)雜的問題，但我們可以追蹤諸如Orbiting Now活躍衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)等資源，從而獲得更準(zhǔn)確的答案。據(jù)該網(wǎng)站估計，目前太空中約有8,000顆LEO衛(wèi)星正執(zhí)行著氣象預(yù)測、數(shù)據(jù)傳輸，以及為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶網(wǎng)絡(luò)等功能。

SpaceX Starlink寬帶通信衛(wèi)星或許最為人熟知，但亞馬遜(Amazon)也已啟動其競爭計劃——Project Kuiper衛(wèi)星。此外，還有壽命較短的LEO立方衛(wèi)星(CubeSat)，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的10×10×10cm 1U基本單元設(shè)計。再者，目前在MEO上還運(yùn)行著大約200顆衛(wèi)星(圖1)。

圖1：由于衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量迅速增加，LEO、MEO以及地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星的數(shù)量變動頻繁，圖中提供了大致的數(shù)量(HEO指高度橢圓軌道)。(來源：Orbiting Now)

從商業(yè)角度來看，不僅是軌道中的衛(wèi)星數(shù)量，每年的平均發(fā)射量如何顯著增加也值得關(guān)注(圖2)。

圖2：比起衛(wèi)星總數(shù)，或許更令人印象深刻的是衛(wèi)星數(shù)量的年增長速度。(來源：U.N. Office for Outer Space Affairs、Our World in Data)

抗輻射設(shè)計的演進(jìn)

隨著衛(wèi)星設(shè)計從定制化過渡到更頻繁的生產(chǎn)，市場對于具備明確定義的功能模塊需求也越來越高，因?yàn)檫@些模塊可以支撐合理的量產(chǎn)規(guī)模，并附帶文件與應(yīng)用支持。雖然生產(chǎn)量還無法達(dá)到消費(fèi)市場的規(guī)模，一旦達(dá)到年產(chǎn)數(shù)百套的“小型量產(chǎn)”模式，依然能帶來實(shí)質(zhì)的效益。

值得注意的是，從運(yùn)算放大器、邏輯功能芯片到高端處理器等基本的抗輻射器件，已經(jīng)存在多年并具有多種輻射耐受等級。盡管抗輻射經(jīng)常是必要條件之一，但僅有器件本身，并不足以保證整體的抗輻射電路功能。

傳統(tǒng)上，這類設(shè)計要求器件通過合格制造商列表(QML)V等級的制造與測試認(rèn)證。一般來說，這些器件以陶瓷封裝密封，能抵抗高輻射劑量，并防止塑料封裝中釋放化學(xué)物質(zhì)對傳感器陣列造成影響(即氣體釋放問題)。

業(yè)界供貨商動態(tài)

現(xiàn)在，市場上出現(xiàn)了新的分類：“航天級QML P級器件”。這些器件同樣具備抗輻射特性，但采用專用塑料封裝，以滿足最低氣體釋放的要求，并提供更小尺寸、更輕重量與更低成本等優(yōu)勢。

此外，MEO和LEO衛(wèi)星所需的抗輻射能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GEO或深空任務(wù)衛(wèi)星，這些低軌衛(wèi)星的抗輻射要求可通過“相對”較溫和的測試與認(rèn)證來實(shí)現(xiàn)。

供應(yīng)商目前也在將基本器件擴(kuò)展為完整的功能模塊。以微芯科技(Microchip)為例，該公司最近推出LE50-28系列DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供28V輸入、50W輸出的九種型號，包括單輸出和三輸出版本(圖3)。該系列產(chǎn)品針對LEO衛(wèi)星提供50Krad的總電離輻射劑量(TID)耐受性和37MeV·cm2/mg線性能量轉(zhuǎn)移的單事件效應(yīng)(SEE)免疫能力。

圖3：這款50W DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊是標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成產(chǎn)品，完全符合LEO衛(wèi)星運(yùn)作需求。(來源：Microchip Technology)

Vicor公司推出了全系列針對LEO和MEO的抗輻射電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品組合。該公司指出，光是采用抗輻射器件并不夠，設(shè)計還需要能夠支持干擾等不良事件。因此，成功的抗輻射設(shè)計還需要使用正確的器件，進(jìn)行抽樣測試、降額設(shè)計、冗余機(jī)制、額外屏蔽、性能監(jiān)控以及具備斷路和重啟功能。此外，還需滿足一系列文件要求。

通過提供標(biāo)準(zhǔn)化的電源功能模塊，LEO和MEO衛(wèi)星設(shè)計人員可以更專注于衛(wèi)星的獨(dú)特性設(shè)計，而不必耗費(fèi)精力于設(shè)計、仿真、制造與認(rèn)證這些模塊。這些標(biāo)準(zhǔn)電源功能的可用性，改變了設(shè)計流程和時間表的動態(tài)。

目前，LEO和MEO衛(wèi)星的設(shè)計正在從早期階段轉(zhuǎn)向成熟階段。過去多年來，幾乎每一顆衛(wèi)星的設(shè)計幾乎各具獨(dú)特性，即使一系列衛(wèi)星中的一顆，例如1960至1972年間的Corona系列間諜衛(wèi)星，該系列共發(fā)射了145顆衛(wèi)星，每一批的衛(wèi)星設(shè)計都依據(jù)前一代累積的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)進(jìn)步，但也進(jìn)行了重大改變。

然而，這種模式盡管在某些層面帶來好處，也意味著每次的設(shè)計都存在新的未知數(shù)?！按髷?shù)定律”在此并不完全適用，而發(fā)現(xiàn)“極端情況”的能力也相對減弱。相比之下，大量制造相同單元有助于提高制造效率，并且也更有利于投資工具和測試。

例如，銥星(Iridium)系統(tǒng)有66顆LEO衛(wèi)星，其設(shè)計以每批10顆的方式進(jìn)行生產(chǎn)，大幅提升了生產(chǎn)效率，并創(chuàng)造了學(xué)習(xí)曲線。然而，當(dāng)時的電源模塊并非現(xiàn)成可用產(chǎn)品，而是專為該方案定制設(shè)計的，因此每一批次仍有所調(diào)整。

展望未來

當(dāng)然，深空任務(wù)由于其目標(biāo)和限制的獨(dú)特性，無法使用標(biāo)準(zhǔn)化的抗輻射電源子系統(tǒng)。例如，美國國家航空航天局(NASA)的歐羅巴快船(Europa Clipper)太空任務(wù)(前往木星的Europa衛(wèi)星，于2024年10月14日發(fā)射，并預(yù)計于2030年中抵達(dá))。該航天器配備了長達(dá)約30米的太陽能電池陣列，抵達(dá)木星時只能產(chǎn)生約600W的電力。相較于大多數(shù)的太空探測器，由于未配備放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)(RTG)，使得Europa Clipper的電源子系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)獨(dú)具一格。

由于Europa Clipper處于木星磁場捕獲的輻射環(huán)境中，航天器的有效載荷與其他電子設(shè)備被封裝在設(shè)計獨(dú)特的厚壁保護(hù)罩內(nèi)(如圖4所示)。這些由鈦和鋁制成的保護(hù)罩提供了輻射屏障的作用，可以阻擋大部份高能原子粒子的影響，保護(hù)航天器的電子設(shè)備并減緩其退化速度。

圖4：Europa Clipper的有效載荷和其他電子設(shè)備等特殊應(yīng)用無法使用標(biāo)準(zhǔn)模塊，因而采用設(shè)計獨(dú)特的厚壁保護(hù)罩，以防止太陽系中高能輻射的破壞。(來源：NASA)

采用適當(dāng)現(xiàn)成的抗輻射電源模塊是否讓您感到安心？這是否能大幅加速LEO和MEO衛(wèi)星的設(shè)計與認(rèn)證過程？特定類型的衛(wèi)星需求能否足夠標(biāo)準(zhǔn)化，使這些電源模塊“滿足物料列表”而成為首選？抑或是設(shè)計人員應(yīng)該調(diào)整設(shè)計需求，以適應(yīng)具體情況？