面向单粒子效应的航天嵌入式软件软防护技术研究

单粒子效应是影响航天器可靠性和在轨寿命的重要因素。单粒子效应引发的可恢复性错误称为软错误,会导致软件运行出错。本文针对单粒子效应引发的软错误,对航天嵌入式软件中采用的软防护技术,按照控制流防护和数据流防护进行了分类分析和总结。     

单粒子效应及充放电效应诱发航天器故障的甄别与机理探讨

单粒子效应（SEE）是诱发航天器故障最重要的空间环境因素之一,其与充放电效应（SESD）诱发故障的宏观表象相像,但具体影响细节及防护设计又不尽相同,导致工程上将大量可能由SESD诱发的航天器故障简单归零为SEE并进行改进设计,但复飞后的航天器在轨故障依然不断。截至目前,鲜有综合比对研究以揭示这2种效应诱发星用器件错误和导致电子设备故障的异同。文章首先通过大量在轨实例表明二者触发的航天器故障有很强关联,之后对引起2种效应混淆的可能原因进行剖析,并介绍中国科学院国家空间科学中心通过地面模拟实验,针对JK触发器、运算放大器、静态随机存储器（SRAM）初步研究的SEE和SESD诱发软错误的异同表象和作用机制,为进一步发展准确甄别与应对有关在轨故障的技术方法提供参考。     

基于130nm 工艺嵌入式SRAM 单粒子软错误加固技术研究

在空间环境中,嵌入式SRAM 易受高能粒子的作用发生单粒子软错误,针对这一现象,文章研究了深亚微米工艺下嵌入式SRAM 的单粒子软错误加固技术,提出了版图级、电路级与系统级加固技术相结合的SRAM 加固方法以实现减小硬件开销、提高抗单粒子软错误的能力。并基于该方法设计了电路级与TMR(三模冗余)系统级加固相结合、电路级与EDAC(纠检错码)系统级加固相结合和只做电路级加固的3 种测试芯片。在兰州近物所使用Kr 粒子对所设计的测试芯片进行单粒子软错误实验,实验结果表明,系统级加固的SRAM 抗单粒子软错误能力与写入频率有关,其中当SRAM 的写入频率小于0. 1s 时,较只做电路级加固的芯片,系统级和电路级加固相结合的SRAM 可实现翻转bit 数降低2 个数量级,从而大大优化了SRAM 抗单粒子软错误的性能。并根据实验数据量化了加固措施、写频率和SRAM 单粒子翻转截面之间的关系,以指导在抗辐照ASIC(专用集成电路)设计中同时兼顾资源开销和可靠性的SRAM 加固方案的选择。     

星载微机空间抗单粒子加固设计技术研究

抗辐照加固技术是保障航天器高可靠长寿命的必要条件之一。文章介绍了空间辐照效应对星载微机电路的影响及危害,并针对这些危害阐述了在某型号光机控制计算机任务中进行的单粒子防护设计技术。     

星载微机空间抗单粒子加固设计技术研究

抗辐照加固技术是保障航天器高可靠长寿命的必要条件之一。文章介绍了空间辐照效应对星载微机电路的影响及危害，并针对这些危害阐述了在某型号光机控制计算机任务中进行的单粒子防护设计技术。     

航天器单粒子效应的防护研究

随着航天电子器件集成度的不断提高,其发生单粒子效应的风险越来越高,已经成为影响航天器可靠性和运行寿命的重要因素。文章首先介绍了单粒子效应的发生机理、研究方法和研究成果,在此基础上对现有的各种抗单粒子效应加固技术进行了总结,按照硬件加固技术、软件加固技术和轨道优化设计的思路较为系统地论述了单粒子效应的防护手段。     

一种基于快速可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法及应用验证

随着航天器负载对功率需求的不断增大,产品设计中对电机驱动电路的可靠性提出了更高的要求,而选用一体化集成电路是电机驱动电路设计的一种成熟方案。文章针对商用现货器件MSK4351的空间应用需求,提出了一种应用快速、可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法,通过模拟试验验证了该防护电路能够自动探测和迅速解除单粒子锁定现象;并结合设备的在轨工况开展了器件空间应用的单粒子风险分析,结果表明器件的使用风险可接受。目前已应用的电机驱动电路在轨工作稳定,表明该防护设计方法具有一定的工程应用价值。     

空间辐射环境单粒子效应研究

文章介绍了空间辐射环境对航天器电子元器件产生的单粒子效应的国内外研究情况,从环境模拟方法、模拟试验设备、单粒子效应及防护以及飞行试验等方面进行了分析比较。文章对国内研究发展提出了一些建设性的建议。     

低地球轨道航天器涂层防护技术研究进展

低地球轨道(LEO)环境极为复杂,紫外辐照、原子氧辐照、高能粒子辐照等因素并存,对航天器用有机材料提出苛刻要求。为满足长寿命安全飞行,必须对航天器特别是其上采用的有机材料进行防护。文章简述了LEO环境中各因素对航天器的影响,总结了航天器防护技术特别是涂层防护方案的研究进展,并指出了未来发展方向。     

一种微控制器单粒子效应在轨监测系统设计

为验证航天器用微控制器的抗单粒子效应能力,设计了一种单粒子效应在轨监测系统。该系统采用独特的方法,可实时监测单粒子锁定事件,并利用微控制器内部程序监测其RAM及FLASH存储器的单粒子翻转事件。该系统占用航天器资源少、开发周期短,能同时监测多种、多片微控制器,具有一定的通用性。     

空间碎片防护研究最新进展

空间碎片对在轨航天器的安全运行构成了严重威胁,对航天器的撞击事件频繁发生。随着空间碎片环境的日趋恶化,航天器的防护变得越来越重要。文章从空间碎片环境模型、撞击风险评估、航天器部件损伤、防护材料与结构的超高速撞击试验、撞击试验数据库建设、超高速发射设备、在轨撞击感知、机构间超高速发射设备交叉校验等方面对国内外空间碎片防护研究的进展进行了总结,并在此基础上给出我国未来空间碎片防护研究的发展建议。     

Protecting spacecraft against meteoroid/orbital debris impact damage: an overview

Meteoroids and orbital debris pose a serious damage threat to all spacecraft. The effects of a meteoroid/orbital debris (M/OD) impact depend on a variety of factors, including where the M/OD impact occurs, the size, composition, and speed of the impacting object, and the function of the impacted spacecraft system. These effects can be minimal, can degrade a functional spacecraft component, or can compromise spacecraft functionality, even to the point of mission loss or loss of life. To minimize the damage threat from the meteoroid/orbital debris environment, it is often necessary to install protective shielding around critical spacecraft systems. If a system cannot be shielded, operational constraints may need to be imposed to reduce the damage threat. This paper presents an overview of the research and development activities performed since the late 1950s with an aim of increasing the level of protection afforded satellites and spacecraft operating in the M/OD environment and ultimately mitigating the mechanical and structural effects of an M/OD impact.     

SiC MOSFET器件单粒子烧毁仿真分析

应用于航天器的宽禁带半导体功率器件会受到空间带电粒子的影响而存在单粒子烧毁（SEB）风险。为研究单粒子烧毁的机理及防护措施，文章利用半导体工艺器件仿真（TCAD）对SiC MOSFET器件进行了SEB仿真分析，发现粒子入射最敏感位置时器件发生SEB的阈值电压在500 V。同时，通过仿真获得器件微观电参数分布特性，分析认为器件发生SEB的机理是寄生晶体管的正反馈作用导致缓冲层和基区的电场强度（5.4 MV/cm和4.2 MV/cm）超过SiC材料击穿场强（3 MV/cm）。此外，针对仿真揭示的器件SEB薄弱区域，提出将P+源区的深度向下延伸至Pbase基区底部的工艺加固思路，并通过仿真验证表明该措施使器件发生SEB的阈值电压提高到近550 V。以上模拟结果可为该类器件的抗SEB设计提供技术支持。     

高能电子辐照引起的纳米器件翻转效应研究

随着电子器件特征尺寸的减小,其翻转阈值也在降低,使得空间中的高能电子或可诱发纳米器件产生翻转效应。文章选用28 nm的V7型FPGA作为研究对象,分别采用能量为0.2 MeV和1.5 MeV、注量率为5×108～1×109/(cm2·s)的电子进行辐照,结果表明试件产生了明显的翻转效应。结合高能电子作用28 nm器件的仿真结果,经分析可知,1.5 MeV能量的单个电子与器件碰撞不能发生核反应;针对高能电子诱发器件存储单元翻转的几种可能机理,初步认为该器件的翻转是由多个电子同时作用到其中形成局部电荷累积导致的。因此可见,对于电子能量高、通量大的木星等星体的辐射带环境,需考虑高能电子诱发纳米器件翻转对航天器的影响。     

Physical Prerequisites of the Antimeteoric Net Protection for Spacecraft

The problem of spacecraft protection against the impact effect of meteorites and man-made (technogenous) particles has become especially topical in connection with the necessity of long-duration flights in space. The probability of spacecraft collision with meteoric and technogenous particles has already considerably increased on the widely used, but strongly contaminated near-Earth orbits. Russian specialists (the author included) proposed to use multilayer spaced barriers for spacecraft protection as early as the beginning of the 1960s. However, further studies on decreasing the mass of antimeteoric shields are required nowadays. The safety net application is one promising approach in this respect. This paper outlines the physical prerequisites for using a net (a system of strings) as one of a package of antimeteoric shields. The simplest models of meteoric particle destruction at impact on the safety net are presented. The hydrodynamic models, as most suitable for modeling the process, are mainly analyzed. The role of the interaction of shock waves and of cumulative effects upon meteorite impact with the net is emphasized. The net is shown to play an important part in forming the nonuniform field of stresses in a meteorite even at high impact velocities, which are accompanied by phase transitions and by the generation of plasma. The role of a safety net for retaining and absorbing the momentum of a plasma cloud, formed upon the impact of meteoric particles, is considered. The advisability of applying two (or several) net barriers is substantiated. It is noted that the safety net can also be useful as a means for mitigating the action of shock waves from explosions.     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。