Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.

 

Системы в корпусе

Магистральный путь развития ЭКБ для авиации, космоса и ВПК

 

Данилин Н.С., ФГУП «РНИИ КП»

Димитров Д.М., ОАО «Космос Комплект»

Сабиров И.Х., ОАО «Космос Комплект»

 

В статье впервые в Российской Федерации представлена информация о современных методах и инструментальных средствах использования космической электронной компонентной базы на основе систем в корпусе. Материалы отражают мировой уровень космической индустрии и получены в результате выполнения совместных исследований Роскосмоса (ФГУП «РНИИ КП») и ОАО «Космос Комплект».

 

В настоящее время космическая технология так широко вошла в современную жизнь общества, что отказ от неё отбросил бы развитие цивилизации далеко назад. Мы всё больше степени зависим от эффективной работы различных космических систем. Сегодня невозможно представить себе, что прогноз погоды, разведка полезных ископаемых, мониторинг окружающей среды, развитие телекоммуникаций и телевидения, обеспечение обороноспособности и ещё много других задач решалось бы без средств космического базирования. Если первые космические аппараты (КА) функционировали в течение года, то в настоящее время стоит задача обеспечения сроков активного функционирования КА в течение 10-12 лет, а в перспективе – 15 лет и более.

Космос – некая экстремальная окружающая среда, где сделанные человеком системы редко получают второй шанс. Поэтому исключительное внимание требуется уделить качеству электронной компонентной базы (ЭКБ), предназначенной для систем длительных сроков активного существования (ДСАС).

Более 16 лет «Научный центр сертификации элементов и оборудования» (НЦ СЭО) ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» (ФГУП «РНИИ КП») обеспечивает сервисную поддержку поставок ЭКБ для отечественной космической индустрии (рис. 1).

 

Выбор элементной базы

По объективным причинам уже в течение последних лет прослеживается устойчивое соотношение использования ЭКБ отечественного и зарубежного производства в космической технике (рис. 2). НЦ СЭО провел фундаментальные разработки по этой проблеме. Представляем краткую информацию по оптимизации путей использования перспективной космической ЭКБ в условиях кризиса.

Ввиду высоких требований к сроку активного существования (15-20 лет) в практике ведущих западных фирм, в соответствии с высокими требованиями заказчиков, при комплектации космических аппаратов применяется ЭКБ в основном уровня Space. В крайнем случае, применяются компоненты, специально разработанные и изготовленные по требованиям стандартов для уровня Space, либо доотбраковываются процедурами «upscreening» изделия уровня MIL. При этом таким комплектующим присваивается статус «нестандартных».

ЭКБ уровня «Space» позволяет реализовать избыточность по качеству до 10-20 раз, создать реальный резерв противодействия спектру внешних факторов космического пространства. Радиационная стойкость таких компонентов ‑ от 100 крад, предусмотрено парирование влияния статического электричества при сборке. Наивысшее качество и надежность компонентов всегда приводят к снижению общей стоимости проекта (отсутствие рекламаций, отказов, сбоев).

Как считают специалисты NASA, создание «космического» качества недостижимо только посредством проведения испытаний. Улучшение посредством отбраковки должно быть последним средством. Основное ‑ это производство ЭКБ. И в этом плане представляют интерес реальные достижения ведущих фирм США по принципиально новым технологиям типа «система в корпусе».

 

Текущее состояние разработок «систем в корпусе»

«Системы в корпусе» (СвК) впервые разработаны компанией IBM и использованы в изделиях ВПК США. Инженерное решение было основано на многокристальной микросхеме. По сути, СвК – это эволюция такого подхода. По определению, СвК – это объединение нескольких различных кристаллов, модулей памяти, цифровой логики, пассивных компонентов, фильтров, антенн, включая пластины кремния на изоляторе (КНИ) и кремния на сапфире (КНС) в одном стандартном или специально спроектированном корпусе, разумеется, металлокерамическом. Добавим, что акцент сделан не на число транзисторов на одном кристалле, а число различных функций, которые можно объединить вместе (интегрировать) с позиции практически апробированных технологических решений и при этом максимально надёжным и дешёвым способом.

Результаты применения СвК сводятся, в основном, к следующему:

СвК – это новый реальный путь инновационного применения достижений современной электроники в отличие от «систем на кристалле» (СнК) с достаточной сложностью. В таблице 1, а также на рис. 3 и 4 представлено сравнение в относительных единицах между процессами создания «систем в корпусе» и «систем на кристалле».

Следует добавить, что минобороны США, по данным компании Aeroflex, на сегодня сертифицировало всего 4 коллектива для разработки СнК и более 130 ‑ для СвК.

Основные компании, выпускающие аэрокосмическую технику для ВПК США, такие как Lockheed Martin, L3 Communications, BAE Systems, Northrop Grumman, Raytheon, Selex, Hamilton Sunstrand, Boeing, окончательно определили свое участие в программе модернизации и перевооружения на базе инновационной электронной начинки для спутников, ракет, самолетов и высокоточного оружия (2010-2020 гг). По этой программе только до 2015 г. будут разработаны 89 типов СвК и только две СнК. На базе новых и уже существующих функциональных наборов СвК будет проведена реконструкция более 130 типов вооружений (в т.ч. ракет и спутников), будет создано более 3 тыс. средних и микро-спутников для разных целей.

 

Таблица 1. Сравнение процессов создания «систем в корпусе» и «систем на кристалле»

Параметры

СвК

СнК

Стоимость проекта

×$

(7-10)×$

Время реализации до прототипа

6-9 мес.

18-36 мес.

Коллектив

Любой, для разработки системных электронных изделий

Высококвалифицированный специализированный

Отладка прототипа

1-2 мес.

>12 мес.

Серийность

>10000

Малая

Радиационная стойкость

(100-1000) крад

Не всегда достижима

Повторяемость производства

В течение 20 лет

С большими затратами

 

Возможности реализации СвК в РФ

С 2006 г. проводилась совместная работа ООО «Космос Комплект» и корпорации Aeroflex (США) в Зеленограде (НПЦ на базе МИИЭТ) по созданию производства по сборке радиационностойких микросхем ‑ СвК на базе кристаллов и корпусов иностранного производства (США). Оборудование гармонизировано с соответствующими производственными линейками Aeroflex. В настоящее время 22 ЦНИИИ МО РФ проводит аттестацию этого производства. Выпуск первых образцов ожидается во втором квартале 2009 г. Аттестация продукции будет проведена как в РФ, так и в США.

Частично разработана и нормативная база (МИИЭТ, ЦНИИИ 22, «Космос Комплект») для указанного производства и его приемки с использованием аналогов военного стандарта США. Нормативную документацию (ОКР) предполагается закончить до конца 2009 г. Уточнены все требования в связи с САПР для разработки и модификации СвК, в т.ч. схемное, механическое и термальное моделирование.

В качестве первого этапа по разработке и внедрению СвК в РФ предлагается перейти к миниатюризации и модернизации ряда критических по габаритам, весу, радиационной стойкости и энергопотреблению узлов бортовой аппаратуры для космоса, авиации и флота. Также необходимо создать условия для долговременного хранения кристаллов микроэлектронных изделий СвК с целью поддержания производственных программ в течение 20 лет (стратегический производственный запас). Проект РДВ для долговременного хранения уже существует.

 

Литература:

1. Урличич Ю.М., Данилин Н.С. Проблемы качества и долговечности современного космического приборостроения. М.: МАКС Пресс, 2003.

2. Урличич Ю.М., Данилин Н.С. Управление качеством космической радиоэлектронной аппаратуры в условиях глобальной открытой экономики. М.: МАКС Пресс, 2003.

3. Данилин Н.С., Белослудцев С.А. Отбраковка современной космической электронной компонентной базы. М.: МАКС Пресс, 2006.

 

 

Подписи к рисункам: 

Рис. 1. Головная роль и задачи НЦ СЭО

Рис. 2. Применение зарубежной электронной компонентной базы в объектах ракетно-космической техники (2000-2009 гг.)

Рис. 3. Преимущества «систем в корпусе» над «системами на кристалле»

Рис. 4. Сравнение эффективности «систем в корпусе», «систем на кристалле» и типового элемента замены (ТЭЗ) ‑ печатной платы

 

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.