半导体：太空探索中的无名英雄

半导体元件有助于确保太空极端环境中的可靠性和性能。在过去的 60 年里，微芯片在 100 多次太空任务中发挥了关键作用，推动了太空探索中一些最具历史意义的里程碑的成功。从 1958 年美国首次成功的太空任务到正在进行的阿尔忒弥斯任务，这些组件（见表）一直在证明其价值。

Andy Turudic/EBM下表列出了一些已用于太空任务的半导体。

 半导体元件在太空任务中的关键作用

自从美国第一颗卫星 Jupiter-C 导弹上的探索者 1 号发射以来，半导体必须证明其太空资质，在外太空时满足严格的辐射和可靠性标准。

太空任务中的半导体元件始于频率控制设备。石英晶体振荡器、压控 SAW 振荡器 （VCSO） 或原子钟等频率控制在航天任务电子设备中至关重要，因为它可确保信号的准确传输和接收，保持通信稳定性、数据完整性和系统同步。

这些组件对 1958 年美国首次太空任务的成功至关重要，并为太空可靠性奠定了基础。1969 年的阿波罗 11 号登月是人类最伟大的成就之一，也依赖于这些技术。Microchip 在月球表面的阿波罗 11 号登月舱 （LM） 以及用于机载制导计算机的关键逻辑组件（见图）内提供关键通信支持。

Microchip 技术Fairchild（现为 Microchip）的 RTμL 9915 NOR 门是 Apollo Guidance Computer 设计的基础。

与世界上任何其他精密频率参考相比，铷、SAW 和石英振荡器支持更多的军事通信、卫星地面站和测试与测量应用。

旅行者 1 号任务现在是距离地球最远的人造物体，进一步展示了半导体在太空中无与伦比的性能。旅行者 1 号的电子设备混合了 TTL 和 CMOS 逻辑 IC、模拟元件、存储芯片和定制半导体，旨在应对深空挑战。

旅行者 1 号的主计算机使用了名为 SPS-8 的定制中央处理器 （CPU），该单元由 NASA 为航天器设计。TTL 逻辑芯片是当时流行的数字集成电路类型;现在大多数半导体 IC 都是基于 CMOS 的。

近年来，半导体技术一直是火星探测的核心。“好奇号”和“毅力号”火星车为这颗火星提供了宝贵的见解，它们依靠这些组件在火星的恶劣环境中运行。

火星探测器，特别是毅力号探测器，包含来自 Microchip Technology 的多个组件。其中包括用于各种控制系统和数据处理任务的 SPARC 处理器，以及电源管理 IC （PMIC），这些 IC 对于有效管理漫游车不同部分的电源至关重要。所有这些都是抗辐射（抗辐射）组件，从而确保电子设备能够承受恶劣的太空环境。这些组件对于火星车的运行至关重要，并帮助它在火星上执行科学任务。

对于月球探测，印度的第三次月球探测任务 Chandrayaan-3 任务使用了多种半导体元件。这些组件（例如耐辐射 （RT） 反熔丝 FPGA）对于任务的成功至关重要，使月球表面的通信、导航和科学实验成为可能。

正在进行的 Artemis 任务旨在将人类送回月球并最终将他们送上火星，这也依赖于半导体技术经过验证的性能和可靠性。

可靠性和性能在太空计划中的重要性

在恶劣的太空环境中，可靠性和性能不仅重要，而且至关重要。半导体元件是现代太空任务的核心，为从卫星和漫游车到通信系统和空间站的所有设备提供动力。

考虑到太空的极端条件（严酷的温度、强烈的辐射和太空的真空），组件必须长时间完美运行。即使是半导体中最小的故障也可能导致任务失败，这凸显了选择高度可靠元件的重要性。

太空辐射的挑战

太空中充满了高水平的辐射，这对电子元件可能是毁灭性的。辐射会降低材料质量，导致电气故障，并损坏正在传输的数据。例如，地球保护大气层之外的太阳辐射环境可能会使组件暴露于高能粒子中，从而导致单粒子翻转 （SEU） 或总辐射剂量损伤。

为了应对这些挑战，先进的抗辐射技术包括使用抗辐射半导体等专用材料。这些设计修改降低了对辐射的脆弱性。例如，机载计算机中使用的航天级微处理器通常采用抗辐射设计 （RHBD），因此故障不会导致整个系统瘫痪。

模拟太空条件的坚固测试

除了抗辐射之外，在太空任务方面有悠久历史的公司还率先采用了严格的测试和鉴定流程，以确保其组件的可靠性和性能。这些测试远远超出了正常的制造质量控制。

太空级半导体经过广泛的热循环测试，模拟太空中的广泛温度变化——从太阳的酷热到深空的严寒。一个例子是 NASA 对“毅力号”火星探测器的组件进行测试，该探测器经历了 -55°C 到 125°C 的温度波动，要求组件能够承受如此极端的天气而不会出现故障。

组件还经过振动测试，以模拟发射过程中所经历的应力和振动。火箭发射过程中产生的强大力与地球上看到的任何东西都不同;因此，半导体元件必须能够承受这些条件，而不会影响其完整性。例如，在阿波罗 11 号任务期间，关键电子设备要接受振动测试，以确保它们能够在强大的发射力下幸存下来，最终为登月的成功做出贡献。

长期可靠性：太空历史示例

太空任务要求组件不仅在任务期间工作，而且随着时间的推移继续可靠运行。1977 年发射的旅行者 1 号航天器是可靠性对于长期任务至关重要的一个典型例子。在太空中飞行了 40 多年，由于采用经过严格测试可承受极端条件的抗辐射半导体元件，该航天器继续与地球通信。

另一个例子是国际空间站 （ISS），它依靠大量基于半导体的系统来维护生命支持系统、进行科学实验并保持通信线路畅通。国际空间站经常暴露在太空的恶劣辐射环境中，温度范围从 +121°C（面向太阳）到 -157°C（阴凉处），每 45 分钟左右交替一次。然而，板载的半导体元件必须日复一日地可靠运行。

扩展前沿：太空市场的演变

航天工业的一个发展趋势是越来越多地使用商用现货 （COTS） 设备，由于这些设备可立即使用，因此为太空任务提供了经济高效的解决方案。Starlink 的低地球轨道 （LEO） 卫星网络利用 COTS 组件来降低成本并加快生产速度。许多机载电子设备，特别是对于非关键系统，都依赖于这些组件，这些组件既经济实惠，又经过精心挑选，在太空环境中具有可靠性。

一个很好的例子是由 ESA（欧洲航天局）和 CNES（法国航天局）开发的欧洲发射器 Ariane。阿丽亚娜 5 号（1985 年）配备了一个硬化的 QML 级 SPARC 中央处理器，采用密封封装，并配备了 1553 网络，用于火箭内所有系统之间的通信。

最新版本 Ariane 6 （2024） 现在嵌入了基于 Arm 架构的 COTS 处理器，采用塑料封装。它使用与广泛采用的行业标准相同的以太网进行通信，这与 Ariane 5 中使用的太空/军事特定技术形成鲜明对比。

然而，对于必须在天基通信中保持强大性能的高可靠性系统，需要对 COTS 设备进行调整和认证，这需要专业知识。寻求进入新太空市场或从新太空过渡到深空的公司正在与半导体公司合作，这些公司拥有成熟的飞行历史，能够升级 COTS 设备以满足太空任务的严格要求。

短期内，半导体在太空中的未来将是多种策略的混合：升级 COTS 设备，利用我们的航天经验和 sub-QML 版本的产品来减少筛选要求，降低成本，缩短交货时间，以及定制制造工艺以满足特定任务配置文件的独特要求。

通过结合这些方法，半导体在太空中实现了稳健且适应性强的未来，同时最大限度地降低了成本、复杂性并承担了适当的风险。

太空半导体元件的未来

随着 LEO 星座的兴起和太空商业化的不断发展，航天工业不断发展，对可靠、高性能半导体元件的需求也在不断增长。新的太空企业需要能够应对独特挑战的组件，将高可靠性、创新和利润驱动目标相结合。