通過彌合商用和QML V類選項之間的差距降低小型衛(wèi)星組件成本

小型衛(wèi)星星座（smallsats）有望為國家安全空間（NSS）計劃帶來切實的好處，在這些計劃中，迫切需要最大限度地降低建設(shè)和部署成本。多個小型衛(wèi)星，定義為發(fā)射質(zhì)量為500公斤或更小的衛(wèi)星，可以快速，廉價地建造，然后快速和響應(yīng)地部署，以實施NSS資產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，以應(yīng)對當(dāng)今不斷變化的威脅形勢。

到目前為止，小型衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)人員只有兩個組件選項。一方面，商用現(xiàn)貨 （COTS） 組件可降低成本和交貨時間，但通常必須適應(yīng)空間要求;另一種選擇是更昂貴的組件，具有更長的交貨時間，這些組件通過設(shè)計進(jìn)行輻射硬化，并經(jīng)過篩選并符合QML級Q和V級標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，第三個“sub-QML”選項通過一類新的組件彌合了差距，這些組件將QML設(shè)備的輻射耐受性與航天傳統(tǒng)相結(jié)合，允許更低的篩選要求和相關(guān)的更短的交貨時間。

NSS小型衛(wèi)星的需求增長

近年來，兩個促成因素已經(jīng)融合在一起，允許出現(xiàn)多個用于NSS應(yīng)用的小型衛(wèi)星程序。

一個因素是發(fā)射成本的降低：發(fā)射服務(wù)市場的競爭加上商業(yè)提供商的增長，造成了價格下降的壓力，使全世界所有類型的衛(wèi)星運(yùn)營商都處于有利地位。由于其體積和質(zhì)量低，可以同時發(fā)射多個小型衛(wèi)星，通常以較大的衛(wèi)星作為主要發(fā)射有效載荷。發(fā)射服務(wù)的成本可以分?jǐn)偅瑥亩档涂傮w計劃成本。

有利于小型衛(wèi)星發(fā)展的第二個因素是現(xiàn)代電子元件能力的不斷提高。這一現(xiàn)實使小型衛(wèi)星能夠以更小的體積和質(zhì)量包裝更多的功能。

由于發(fā)射服務(wù)費(fèi)用較低，小型衛(wèi)星提供的功能不斷增加，因此產(chǎn)生了一些新的和正在出現(xiàn)的飛行任務(wù)模式。有了多個小衛(wèi)星的星座，偵察任務(wù)可以在感興趣的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更高的重訪率。出于戰(zhàn)術(shù)偵察目的，當(dāng)前監(jiān)視圖像的快速可用性對作戰(zhàn)人員來說可能是生死攸關(guān)的問題。

然而，小型衛(wèi)星的吸引力并不局限于監(jiān)視和偵察。繼銥星、Globalstar和O3B商業(yè)通信星座的成功之后，已經(jīng)提出了更多的小型衛(wèi)星通信計劃。有幾個處于開發(fā)后期階段。這些計劃旨在為當(dāng)今固定地面基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)不足的世界地區(qū)提供高帶寬數(shù)據(jù)通信訪問。小型衛(wèi)星通信星座還可以為戰(zhàn)術(shù)軍事通信帶來顯著優(yōu)勢，否則專用安全信道可能無法使用。

雖然大多數(shù)傳統(tǒng)衛(wèi)星計劃需要使用經(jīng)過認(rèn)證和篩選到非常高水平的電子元件，但這種方法給NSS小型衛(wèi)星計劃帶來了成本和交付挑戰(zhàn)，因為NSS小型衛(wèi)星計劃的重點是低購置成本和更快的服務(wù)進(jìn)入。改用 COTS 組件可能會帶來其他成本和權(quán)衡。

COTS與QML的困境

到目前為止，用于單片電子集成電路（IC）的最常見的篩選和資格標(biāo)準(zhǔn)在MIL-PRF-38535中定義，該標(biāo)準(zhǔn)由美國國防部（DoD）下屬的國防后勤局發(fā)布?；旌?a target="_blank">半導(dǎo)體和分立半導(dǎo)體也存在類似的標(biāo)準(zhǔn)。符合MIL-PRF-38535標(biāo)準(zhǔn)的合格和篩選的組件被授予合格制造商列表或QML資格。這一要求確保任務(wù)目標(biāo)得到實現(xiàn)，但與COTS組件相比，確實增加了成本并延長了交貨時間。

許多人試圖通過用COTS選項替換QML組件來削減小型衛(wèi)星的成本和建造時間，從而消除這種篩選。但是，選擇 COTS 組件的航天硬件開發(fā)人員可能仍需要投資證明它們將滿足所有必要的質(zhì)量、可靠性和輻射要求。這種保證可能很昂貴，而且通常，選擇低成本的COTS部件會導(dǎo)致更高的擁有成本。

例如，雖然通用塑料封裝的COTS組件本質(zhì)上提供了高水平的質(zhì)量和可靠性，但它們的設(shè)計并沒有考慮到空間輻射環(huán)境，也不是為了承受發(fā)射到太空的沖擊和振動。需要額外的工程工作來表征其輻射行為和機(jī)械特性，并評估任何弱點的解決方法。

減輕軟輻射 COTS 組件中的輻射效應(yīng)所需的系統(tǒng)工程工作可能廣泛、耗時且昂貴。此外，鑒于星座計劃將購買的組件數(shù)量相對較少（每年數(shù)百個零件，與銷售到消費(fèi)或汽車應(yīng)用中的數(shù)百萬或數(shù)千萬個零件相比非常低），許多商業(yè)COTS組件供應(yīng)商將不愿意花時間進(jìn)行故障分析，擴(kuò)展溫度篩選，輻射表征， 或星座計劃的其他技術(shù)支持活動。大批量供應(yīng)商通常不提供代工廠或包裝分包商變更的可追溯性或變更通知。所有這些都是空間系統(tǒng)開發(fā)人員的重要因素，因為在構(gòu)建航天系統(tǒng)時，供應(yīng)的一致性很重要。

此外，雖然塑料封裝的COTS組件的高產(chǎn)量帶來了高度的可靠性保證，但太空計劃可能會遇到用于或已經(jīng)集成到飛行硬件中的組件可能發(fā)生意外損壞的情況。隨著 NSS 計劃的承包商基礎(chǔ)遷移到使用 COTS 組件提供低成本系統(tǒng)，應(yīng)牢記組件供應(yīng)商對技術(shù)支持以支持任務(wù)保證目標(biāo)的需求。

sub-QML選項解決了這些挑戰(zhàn)，提供了成本降低和航天飛行可靠性優(yōu)勢的至關(guān)重要的組合，這是COTS或QML組件都無法提供的。

彌合差距

幾十年來，衛(wèi)星行業(yè)一直由數(shù)量不多的組件制造商提供服務(wù)，這些制造商擁有數(shù)十年的成功支持太空任務(wù)的歷史，并在許多計劃中長期積累的飛行遺產(chǎn)。其中一些部件供應(yīng)商為低成本衛(wèi)星星座提供產(chǎn)品，在這些星座需要部署大量需要大量部件的衛(wèi)星。這些子QML產(chǎn)品耐輻射但無QML篩選，符合非常高的可靠性和輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。相同的部件也可以采用塑料封裝，盡管它們不符合QML，但非常適合某些小型衛(wèi)星應(yīng)用。

對于許多需要盡可能高篩選的傳統(tǒng)太空計劃來說，亞QML組件可能不是正確的選擇，因為它們的戰(zhàn)略性質(zhì)，或者因為與其他開發(fā)或建設(shè)成本相比，電子內(nèi)容的成本很小。然而，它們是小型衛(wèi)星星座的理想選擇，在這些星座中，最大限度地降低衛(wèi)星的建造和部署成本至關(guān)重要。采用亞QML方法進(jìn)行組件選擇可以顯著降低成本，而不會犧牲部署空間系統(tǒng)所需的可靠性或輻射耐受性。

如今，一些組件供應(yīng)商已經(jīng)為空間應(yīng)用提供亞QML組件。例如，美高森美與其新的母公司Microchip Technology一起提供了一個完整的系統(tǒng)解決方案，包括sub-QML FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）、混合信號IC、微處理器和微控制器、分立MOSFET［金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管］、雙極晶體管和二極管、芯片級原子鐘和精密振蕩器。

對于用于國家安全任務(wù)的系統(tǒng)，使用成本更低、交貨時間更短的耐輻射亞QML設(shè)備，減輕了小型衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計人員對空間應(yīng)用進(jìn)行COTS組件認(rèn)證的負(fù)擔(dān)，同時降低了物料清單成本。此外，這些空間組件的老牌供應(yīng)商在輻射耐受性方面的經(jīng)驗、奉獻(xiàn)精神、響應(yīng)能力和專業(yè)知識給系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了，可以大大降低與使用通用COTS組件相關(guān)的任何風(fēng)險。與這些供應(yīng)商合作，開發(fā)人員可以放心地實現(xiàn)成本目標(biāo)，而不會將任務(wù)目標(biāo)置于危險之中。

審核編輯：郭婷