Miniaturisierung von Instrumentenrechnern für Raumfahrtanwendungen (Band 1)

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 weit-
gehende 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 Schirmwirkung 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 Merkurmissionen auch für R << 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 längeren 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”-μDPU 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