几种COTS元器件单粒子试验研究

针对COTS元器件没有考虑空间辐射环境的影响导致的高风险,特别是单粒子效应,使用重离子对空间科学用的数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和模数转换器(ADC)开展了单粒子效应试验研究,分析了这几种COTS元器件单粒子效应发生时的现象。结果表明:TMS570LS20216型DSP的单粒子闩锁阈值低于12.6 MeV·cm~2/mg,A3PE3000L型FPGA的单粒子翻转阈值在个位数量级,ADS7883S型ADC的单粒子效应阈值大于36.8 MeV·cm~2/mg。试验结果可用于COTS元器件空间应用的系统级单粒子效应防护设计和风险评估。     

空间模块化机械手系统容错控制系统研究

研究搭载在空间站或其他近地轨道航天器上的空间模块化机械手系统的容错控制系统.与地面应用环境相比较,空间特殊的应用环境存在许多不同,因而传统工业机械手系统的设计技术不能直接应用于空间机械手系统的设计.考虑到空间应用对系统质量、体积、功耗、研制费用和周期所提出的苛刻要求,主要采用COTS器件设计并实现该空间机械手系统的容错控制系统,介绍了系统的软硬件体系结构及其特点,最后给出系统的性能参数.在系统设计中采用许多已有的设计技巧与工程经验,具有高可靠性和工程实用性.     

DSP大气中子单粒子效应试验研究

利用14Me V快中子辐照源,开展了数字信号处理器(DSP)大气中子单粒子效应地面模拟试验研究。设计了地面模拟的试验方法,包括单粒子效应监测方法、试验系统布局、试验程序及其判据等。获得了SMJ320F2812、SMJ320C6415、TMS320C6416、TMS320C6418等多款型号DSP器件的中子单粒子效应的翻转错误数试验数据,分析计算得到14Me V中子辐照源下的敏感截面。结果显示,DSP器件的主要敏感现象为单粒子翻转(SEU),部分器件还发生了单粒子功能中断效应(SEFI)。相同工艺的被测DSP器件的中子单粒子效应敏感截面具有相同的数量级,验证了本文使用的地面模拟试验方法的可行性,为航空电子设备的可靠性与安全性评估提供了大气中子单粒子效应的器件级基础数据。     

基于FPGA内置RAM的抗辐射有限状态机设计

在现代卫星设计中广泛使用的可重构现场可编程门阵列(FPGA),在空间高能粒子的影响下很容易产生单粒子翻转(SEU),从而功能紊乱甚至失效。在面向航天应用的FPGA设计中,必须采用容错设计技术来弥补器件本身抗辐射能力的不足。本文首先分析了有限状态机(FSM)的内部结构,并指出由于自身电路结构的特点,传统的FPGA容错设计方法应用于FSM时有一定的局限性。然后,针对基于FPGA的FSM容错设计技术进行了研究,根据现代FPGA的结构特点,提出了一种基于FPGA内置双端口随机存取存储器(RAM)、具有周期校验功能的FSM设计方案。经过可靠性分析和实验可以看出,与采用传统容错设计方法的FSM相比,采用本文方案构建的FSM在太空辐射环境下具有更高的长期可靠性、更小的FPGA资源占用量和更低的功耗。     

一种面向空间机械臂运动控制的容错计算机体系结构

针对现有航天抗辐照高可靠处理器难以满足空间机械臂运动控制运算量大的问题,结合机械臂运动控制算法的特点,提出了一种由双机主模块和多机从模块组成的面向空间机械臂运动控制的容错计算机体系结构。该体系结构中,主模块以航天专用抗辐照处理器为核心进行设计,从模块以商用现货(COTS)器件为核心进行设计,其中从模块负责运动控制运算,主模块负责从模块运算结果的表决及任务管理、健康管理等工作。系统容错性能和可靠性分析结果表明,该运动控制计算机体系结构容错能力强、可靠性高,在空间机械臂领域具有良好的应用前景。     

数字信号处理大气中子单粒子效应(SEE)试验研究

本文针对4型航空常用的数字信号处理(DSP)进行了大气中子单粒子效应试验,对辐照条件、试验环境、试验件安装及监测方法进行研究,并对试验结果进行了数据处理及分析。试验结果表明,该4型DSP在14Me V中子辐射下均发生了单粒子翻转(SEU是单粒子效应中的一种模式),TMS320C6416TBGLZA8、TMS320C6418ZTSA500、TMS320F2812及SM32C6415EGLZ50SEP的单粒子翻转截面分别为1.91e-7cm2/device、6.62e-7cm2/device、8.82e-9cm2/device及1.62e-7cm2/device,在12000m处的飞行高度下,器件发生的单位翻转率分别为1.15e-03n/(device·h)、3.97e-03n/(device·h)、5.29e-05n/(device·h)、及9.69e-04n/(device·h)。     

COTS器件管理要求研究

通过对COTS 器件使用风险和管理现状进行说明,对国内外电子器件管理要求的分析和研究,提出 了针对COTS 器件管理的适航要求建议,期望能达成限制机载设备中COTS 器件使用的风险,提升机载设备可 靠性及民用飞机安全性的目的。     

民用航空发动机适航审定对单粒子效应的考虑

大气中子环境单粒子效应(SEE)对航空发动机电子设备的影响与飞行安全息息相关。随着集成电路组件几何尺寸的逐渐减小、飞机飞行高度的不断增加以及越来越多的飞行航线经过极地,航空发动机电子控制(EEC)系统对大气环境中子的敏感性也随之增大。本文主要总结了航空电子领域单粒子效应的研究历程和现状,阐述了民用航空局方对航空发动机适航审定中单粒子效应影响的立场,可为民用航空发动机控制技术研究、民用航空发动机适航审定中考虑单粒子效应的影响提供一定的指导。     

容错航天计算机系统结构

本文总结用于航天机载处理的容错计祘方面长期研究的结果。随着器件工艺的改变,研制方案已从容错单处理机的设计进展到容错分佈计祘机系统的研制,航天计祘的特殊要求与引起的实时计祘机系统结构结果一起进行介绍,並对设计的下列各方面进行讨论:1>简化分佈计祘机系统复杂性的系统结构的特奌。2>故障检测和恢复。3>提高可靠性和可测试性的技术。4>用LSI的设计方法。     

空间站微重力环境研究与分析

太空中的微重力环境对基础科学研究和新技术开发具有重要意义,为了满足未来我国空间站开展微重力科学实验的需求,需要对空间站上的微重力水平进行分析和评估,指导高微重力要求实验载荷的布局和微重力实验期间的飞行任务规划。空间站上的微重力水平用加速度值度量,通常可以分为准稳态加速度、瞬态加速度和振动加速度。针对此问题调研总结了国际空间站的微重力研究情况,并以400 km轨道高度上100吨级"T"字型积木式空间站作为算例,估算其准稳态加速度大小及分布,并初步分析瞬态加速度水平的量级。结果表明,空间站准稳态加速度水平在1μgn量级,主要贡献来自重力梯度效应;瞬态加速度可达103μgn量级。文章对将来我国空间站微重力应用支持的设计工作有一定的借鉴意义。     

基于SRAM型FPGA单粒子效应综合防护技术

为解决基于SRAM(Static Random Access Memory,静态随机存储器)型FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的扩频应答机在空间环境中时常发生功能故障的难题,提出了一种低轨卫星基于SRAM型FPGA的应答机的单粒子综合防护方案。该方案在代码级、器件级、单机级、整星级综合采用器件优选、结构屏蔽设计、巡检自愈、自主复位等多种方法,有效杜绝了单粒子事件带来的种种危害,已成功应用于某在轨卫星。在轨测试结果表明:遥测、遥控、跟踪测量等功能、性能指标满足任务要求,且未发生需要地面干预的问题或现象。该技术还可推广应用于其他采用低等级器件及其他类型FPGA、DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)等大规模集成电路的星载单机防护。     

空间站出舱活动分离救援技术研究

航天员进行出舱活动时,存在与空间站分离的可能性,涉及航天员安全。救援与空间站分离的航天员,是出舱活动必须考虑的问题。对此,总结了救援技术的发展历程,从人机能力及特性的角度,重点研究了救援的关键技术,包括分离可能性和分离状态分析、救援策略和机制确定、救援系统设计;提出现阶段应以航天员驾驶救援装置返回空间站为主,同时分析了人服特性对控制系统的影响,以及相关新技术的应用前景,指出救援技术的发展趋势是人机系统机动能力的整体提升,可为设计建造实际的救援装置提供思路。     

轻量级计算机内存软件巡检技术

针对软件单粒子效应防护问题,介绍了一种轻量级软件加固方法。该方法采用软件内存巡检技术,在不增加额外的设备硬件开销的情况下,检验并纠正CPU内存单粒子翻转,提升设备可靠性。该技术实现简单,系统资源消耗小,只需在已有程序的基础上进行少量代码添加,就可以实现软件加固,对已有代码修改量小。利用了系统中CPU空闲率高的特点,只在CPU空闲时对内存进行巡检,不会干预软件正常功能的运行。试验和在轨运行结果表明,该技术可以有效检测到内存中出现的单粒子异常事件,对原软件任务的功能性能指标没有影响。     

翼身融合无人机参数化建模与气动特性分析

以亚声速翼身融合无人机概念设计阶段多学科设计优化为应用背景,提出了考虑操纵面偏转的参数化建模与气动分析方法:1)采用CST方法、CATIA二次开发技术建立操纵面未偏转和偏转构型的三维几何外形;2)采用Tcl语言编制具有容错能力的Gridgen脚本,划分网格;3)采用位流分析和工程方法计算气动特性参数.通过iSIGHT软件集成上述步骤,建立了自动化的计算环境,对某无人机进行了建模和气动分析,风洞试验验证表明方法满足概念设计阶段的精度要求.     

空天电传输用聚酰亚胺改性与优化研究进展

聚酰亚胺具有优良的耐高温度梯度、高绝缘及耐辐射特性,在航天器电传输器件及设备中应用广泛。目前空间站、太空电站等空天大功率电传输场景又对聚酰亚胺材料提出了更高的可靠性要求,因此亟待揭示空天极端环境对聚酰亚胺材料的损伤作用,并针对性地提高其综合性能。首先介绍并回顾了聚酰亚胺在航天器电传输装备中的应用;然后分析归纳了聚酰亚胺在充放电效应、电晕放电效应、原子氧侵蚀效应与极端温度环境下的不同损伤特性及失效机理;进一步介绍并分析了现有的改性调控方法及梯度设计制备方法;最后指出现有航天器电传输用聚酰亚胺材料改性调控及梯度绝缘优化研究存在的不足和可能的有效解决途径。     

空间站姿态控制系统实时仿真研究

研究了五棱锥构型的单框架控制力矩陀螺群作为执行机构的空间站姿态控制系统的实时仿真问题.根据空间站姿态控制系统的实时分布式仿真要求设计了仿真节点结构,综合了四种网络连接形式构建系统的实时网络环境,说明了仿真系统软、硬件平台的选择,以及系统仿真中的调度设计问题.最后对整个系统进行了分布实时仿真,运行结果说明了这种空间站姿态控制系统方案是可行的.     

航天器太阳翼在轨挠性振动测量中的无依托敏感技术

基于自供电无线加速度计网络，中国空间站天和核心舱、问天实验舱分别于2021年5月、2022年7月针对大型柔性太阳翼在轨开展了振动测量和挠性参数辨识试验。以该任务需求为牵引和实践，总结了无依托敏感技术在空间探测任务中需具备的若干核心能力，包括自供电自充电、无依托敏感器间数据代传、高可靠数据采集、高精度时间同步和自主休眠唤醒等方面。详细阐述了上述能力的设计思路和实现方案，并给出了空间站太阳翼在轨振动测量任务中无依托敏感器的实际应用结果。在轨测试数据验证了所提出的无依托敏感技术设计策略的有效性和合理性。     

卫星姿态控制系统容错控制综述

主要针对卫星姿态系统容错控制研究领域已有的成果进行了回顾。总结了国内外卫星容错控制的现有成果,主要从卫星姿态控制系统的可重构性、单体卫星容错控制和卫星编队容错控制3个部分对相关的研究成果进行了归纳分析。其中,卫星姿态系统的可重构性从重构目标和系统功能要求两方面进行分析;对单体卫星容错控制现状的介绍主要从自适应技术、滑模理论、预设性能、干扰观测器、故障估计观测器几个方面展开;卫星编队容错控制方法从独立容错、协同容错、拓扑重构和组成重构的角度进行阐述。最后进行总结,并展望了卫星姿态控制系统容错控制领域未来可能出现的新问题和研究思路。     

民用飞机燃油箱系统闪电防护分析方法研究

民机燃油箱系统的闪电防护是燃油箱安全的重要研究范畴，本文依据FAA的25-146号修正案和咨询通告AC25.954-1，介绍了民用飞机燃油箱系统闪电防护分析方法。在点火源防护分析思路的基础上，针对闪电引起的点火源，在明确飞机闪电分区后，可通过容错类设计或非容错类设计分别开展分析。针对容错类设计，可仅通过证明防护设计特征有效且可靠来表明符合性，无需进一步分析失效概率。针对非容错类设计，通过定性和定量分析法进行评估。在定性分析时，需评估非容错特征失效且引起点火源的概率小于1E-5。在定量分析中，可结合燃油箱可燃性、关键闪电和防护特征失效概率确保闪电引起燃油蒸气点燃的概率为极不可能。同时，根据闪电环境定义的电流振幅和波形对防护设计特征进行有效性验证。     

载人航天 WiFi 头戴的设计与实现

空间站无线局域网是空间站通信网络的重要组成部分。 WiFi头戴是基于空间站无线局域网进行话音通信的一个重要应用,不仅可以为舱内航天员提供便捷的无线话音通信服务,还可以为航天员的出舱活动提供无线话音通信服务。研究和分析了空间站无线WiFi组网和应用的技术可行性,提出了一种适合于空间站使用的WiFi头戴的设计与实现方案。该方案采用现有的专用集成芯片,技术上支持802.11 n标准,性能指标先进,可以满足空间站无线话音通信的使用要求。