Die weite Verbreitung kostengünstiger tragbarer elektronischer Geräte ist erst durch die Miniaturisierung ihrer elektronischen Funktionen möglich geworden. Auch in der Raumfahrt ermöglicht die Miniaturisierung eine Einsparung bei Masse, Volumen, Energiebedarf und damit bei den Kosten. Diese allgemeine Zielrichtung wird hier für den bei fast allen wissenschaftlichen Instrumenten anzutreffenden Instrumentenrechner (Data Processing Unit, DPU) verfolgt. Für eine sehr weitgehende und dabei kostengünstige Miniaturisierung bietet sich die Übernahme der in mobilen elektronischen Kleingeräten heute weitverbreiteten Bauteil- und Verpackungstechnologie an. Die in großen Stückzahlen produzierten 'Commercial Off The Shelf (COTS)' Bausteine sind allerdings nicht für hohe Strahlungsresistenz entwickelt. Damit stellt sich die Schlüsselfrage, ob sich das durch Miniaturisierung stark verkleinerte COTS-DPU-Volumen durch starke Abschirmung hinreichend schützen läßt und eine geringere Gesamtmasse erzielbar ist, als bei dem Einsatz aufgrund ihrer geringen Integrationsdichte und ihrer ungünstigen Gehäuseformen weniger für die Miniaturisierung geeigneten 'radiation hardened (RH)'-Spezialbausteinen. Nach einer kurzen Einführung in die im Weltraum auf Halbleiterbasis einwirkende Partikelstrahlung und die damit verbundenen wesentlichen Schädigungsmechanismen wird für eine Reihe von Beispielmissionen die für typische COTS-Bausteine notwendige Schirmung durch 'Ray Tracing' bei realistischer Modellierung der einzelnen Strahlungsbeiträge ermittelt. Im einzelnen betrifft dies die für eine Toleranzdosis von 5 bzw. 10 krad notwendige Wandstärke der Boxwände unter Einbeziehung der Schirrnwirkung der Elektronikplatinen im Boxinnern sowie der Schirmwirkung der S/C-Struktur. Für die Elektronikplatinen wurden realistische Annahmen über Abstandsraster und Flächengewicht getroffen. Die S/C-Struktur wurde durch eine variierende, zwischen 0 und 4 mm Al gleichverteilte Hüllendichte modelliert. Neben der Toleranzdosis wurde durch Ray Tracing auch die durch 'Single Event Upsets' (SEUs) induzierte Fehlerrate für einige typische COTS-Digitalbausteine ermittelt, und zwar sowohl für den 'Galactic Cosmic Ray'-Hintergrund wie für gelegentliche sehr starke 'Solar Flares', im Hinblick auf die 'Solar Probe' und Merkurrnissionen auch für R much less than 1 AU. Dabei zeigt es sich, daß die Alternative 'COTS+Schirmung' für ein breites Spektrum von Missionen anwendbar und auch massenmäßig günstiger ist als die Alternative 'RH ohne Schirmung'. Nicht zugänglich für die 'COTS+Schirmung'-Alternative sind Missionen mit längerem Aufenthalt in magnetosphärischen Strahlungsgürteln wegen der durch Schirmung nicht genügend reduzierbaren Dosis. Nach der Beantwortung dieser Schlüsselfrage werden einige für die Implementierung der Alternative 'COTS+Schirmung' bedeutsame Einzelaspekte untersucht, wie (i) anderes Schirmungsmaterial als Al und (ii) für dichte Packung besonders geeignete Gehäuseformen und Leiterplattentechnologien. Schließlich wird eine als Beispiel implementierte 'COTS+Schirmung'-muDPU beschrieben, die den gleichen Funktionsumfang wie die konventionelle ROSETTA-OSIRIS-DPU hat, aber mit Schirmung das OSIRIS Massebudget nur mit 123 g anstelle von 3450 g belasten würde.
Miniaturisierung von Instrumentenrechnern für Raumfahrtanwendungen
2001
139 Seiten, 133 Bilder, 18 Tabellen, 82 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
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