eng
Содержание
Содержание
Предисловие .............................................................................................................. 10
Введение .................................................................................................................... 13
Перечень условных обозначений ............................................................................... 30
Глава 1. Современные космические аппараты ....................................................... 32
1.1.
Основные направления развития космической промышленности ......... 32
1.2.
Классификация современных космических аппаратов............................ 39
1.3.
Конструкции и устройство космических аппаратов ................................. 42
1.4.
Бортовые системы космических аппаратов .............................................. 50
1.4.1.
Классификация бортовых систем космических аппаратов............. 50
1.4.2.
Особенности проектирования бортовых информационно
управляющих систем с использованием микросхем
программируемой логики ................................................................. 57
1.5.
Космические аппараты дистанционного зондирования Земли ............... 61
1.5.1.
Космические аппараты ДЗЗ Российской Федерации
и Республики Беларусь ...................................................................... 62
1.5.2.
Космические аппараты ДЗЗ Украины .............................................. 77
1.5.3.
Космические аппараты ДЗЗ США.................................................... 77
1.5.4.
Космические аппараты ДЗЗ Франции.............................................. 79
1.5.5.
Космические аппараты ДЗЗ Японии ................................................ 80
1.5.6.
Космические аппараты ДЗЗ Индии .................................................. 81
1.5.7.
Космические аппараты ДЗЗ Китая ................................................... 82
1.5.8.
Космические аппараты ДЗЗ европейского космического
агентства ............................................................................................. 83
1.5.9.
Космические аппараты ДЗЗ других стран ........................................ 86
1.6.
Радиолокационные станции дистанционного зондирования Земли ...... 88
1.7.
Воздействие космической радиации на КА............................................. 100
1.8.
Микрометеоритное воздействие на КА ................................................... 102
1.9.
Проблема космического мусора на орбите Земли .................................. 104
1.10.
Применение микроэлектронных технологий для создания
миниатюрных реактивных двигателей космического назначения ...... 107
1.10.1.
Проблемы микроминиатюризации космических аппаратов ...... 107
1.10.2.
Миниатюрные реактивные двигатели горизонтальной
конструкции ................................................................................... 111
1.10.3.
Миниатюрные реактивные двигатели вертикальной
конструкции ................................................................................... 116
1.11.
Космические аппараты военного и специального назначения............ 120
1.11.1.
Система предупреждения о ракетном нападении ........................ 120
1.11.2.
Наземный эшелон СПРН .............................................................. 123
1.11.3.
Фазированные антенные решетки ................................................ 126
1.11.4.
Космический эшелон СПРН......................................................... 130
1.11.5.
Военно разведывательные спутники ............................................ 136
Литература к главе 1 ......................................................................................... 147
Глава 2. Отказы и аварии ракетоносителей и космических аппаратов ............... 150
2.1.
Проблемы безопасности ракетно космической техники ....................... 150
2.2.
Анализ причин отказов ракет носителей ................................................ 156
2.3.
Анализ отказов космических аппаратов .................................................. 159
2.4.
Анализ причин отказов изделий ракетно космической техники .......... 163
2.5.
Анализ тенденций изменения рисков аварий ракет носителей
за период с 2000 по 2009 г. ......................................................................... 166
2.6.
Анализ тенденций изменения рисков отказов КА за период с 2000
по 2009 г. ..................................................................................................... 172
2.7.
Анализ причин аварий РН и КА за период с 2000 по 2009 г. .................. 175
2.8.
Анализ отказов компьютерных систем и программных средств ............ 177
2.9.
Анализ отказов бортовых систем на международной космической
станции в 2000 е гг. .................................................................................... 179
2.10.
Методы обеспечения надежности бортовой аппаратуры
космических аппаратов длительного функционирования ................... 180
Литература к главе 2 ......................................................................................... 188
Глава 3. Микроэлектронная элементная база ракетно космической техники ....... 191
3.1.
Классификация современных микропроцессоров ................................. 191
3.2.
Процессоры для электронных систем управления иностранными
космическими аппаратами ....................................................................... 195
3.2.1.
Бортовые процессоры иностранных космических аппаратов ...... 195
3.2.2.
Фирма Aitech Defense Systems ......................................................... 200
3.2.3.
BAE Systems ...................................................................................... 202
3.2.4.
Honeywell .......................................................................................... 203
3.2.5.
Микропроцессоры с архитектурой SPARC .................................... 203
3.2.6.
Микропроцессоры компании Atmel ............................................... 204
3.2.7.
Aeroflex .............................................................................................. 205
3.3.
Отечественные микропроцессоры и микроконтроллеры....................... 206
3.3.1.
ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) ...................................................... 207
3.3.2.
ОАО «НИИМЭ и Микрон» (г. Зеленоград) .................................... 208
3.3.3.
НИИСИ РАН (г. Москва) ................................................................ 212
3.3.4.
ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Нижний
Новгород) ......................................................................................... 213
3.3.5.
ЗАО «Светлана Полупроводники» (г. Санкт Петербург) .............. 214
3.3.6.
ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж) ........................................................... 215
3.3.7.
ЗАО «ПКК Миландр» (г. Зеленоград) ............................................. 218
3.3.8.
ОАО НПЦ «ЭЛВИС» (г. Зеленоград) .............................................. 220
3.3.9.
ЗАО НТЦ «Модуль» (г. Москва) ...................................................... 223
3.3.10.
ЗАО «МЦСТ» (г. Москва) ............................................................... 225
3.3.11.
ОАО «НИИМА «Прогресс» (г. Москва) ........................................ 228
3.3.12.
ООО «Дизайн центр КМ211» (г. Зеленоград) ............................... 229
3.3.13.
ООО «НПП «Цифровые решения» (г. Москва) ............................ 231
3.3.14.
ОАО «Мультиклет» (г. Екатеринбург) ........................................... 232
3.3.15.
НИИ МВС ЮФУ (г. Таганрог) ....................................................... 233
3.3.16.
НПК «Технологический центр» и ОАО «Завод ПРОТОН
МИЭТ» (г. Зеленоград) .................................................................. 234
3.3.17.
ЧП «НТЛаб системы» (г. Минск) .................................................. 234
3.3.18.
Научно технический центр «ДЭЛС» (г. Минск) .......................... 235
3.4.
Инструментальные средства разработки и отладки для МП и МК ....... 235
3.5.
Тенденции развития современных микроконтроллеров ........................ 239
3.5.1.
Переход потребителей на 32 битные микроконтроллеры............. 239
3.5.2.
Лицензионные архитектуры MIPS32 и Cortex M .......................... 241
3.5.3.
Особенности проектирования и организации производства
микросхем для космического применения .................................... 242
3.6.
Особенности использования фаблесс модели при проектировании
микроэлектронных изделий для космических применений .................. 244
3.6.1.
Предпосылки возникновения и развития фаблесс модели
бизнеса ............................................................................................. 244
3.6.2.
Структура и особенности фаблесс бизнеса.................................... 245
3.6.3.
Особенности выбора заказчика по фаблесс проекту .................... 247
3.6.4.
Технические предпосылки и условия реализации типового
фаблесс проекта. Программное обеспечение и библиотеки
проектирования ............................................................................... 248
3.6.5.
Выбор технологического процесса изготовления изделия............ 249
3.6.6.
Необходимость наличия собственной аналитической базы ......... 249
3.6.7.
Изготовление опытных образцов .................................................... 250
3.6.8.
Финансовая парадигма фаблесс проекта ....................................... 251
3.6.9.
Общие рекомендации по организации работы в режиме
фаблесс ............................................................................................. 252
3.7.
Особенности выбора иностранной ЭКБ для проектирования
отечественных КА...................................................................................... 253
3.7.1.
Основные предпосылки необходимости использования
иностранной ЭКБ ............................................................................ 253
3.7.2.
Особенности этапа выбора номенклатуры ЭКБ
иностранного производства ............................................................ 255
3.7.3.
Особенности проведения сертификационных испытаний
ЭКБ ИП............................................................................................ 258
3.7.4.
Особенности реализации этапа анализа отдельных перечней
ЭКБ ИП............................................................................................ 262
3.8.
Особенности отечественной элементной базы для систем
электроэнергетического обеспечения космических летательных
аппаратов.................................................................................................... 266
3.9.
Стойкость бортовой РЭА к воздействию ионизирующих излучений ........ 270
3.10.
Силовые полупроводниковые приборы
для электронных систем КА ..................................................................... 279
3.10.1.
Основные принципы использования силовых приборов............ 279
3.10.2.
Базовые технологии силовых приборов ....................................... 281
3.10.3.
Силовые MOSFET .......................................................................... 283
3.10.4.
Интеллектуальные МОП транзисторы (SmartFET) .................... 284
3.10.5.
Интеллектуальные силовые ИС .................................................... 289
3.10.6.
Интеллектуальные ИС систем питания........................................ 292
Литература к главе 3 ......................................................................................... 296
Глава 4. Особенности выбора и применения иностранной ЭКБ
для проектирования отечественных космических аппаратов ............................. 298
4.1.
Общие проблемы выбора ЭКБ для РЭА космического назначения ...... 298
4.2.
Ограничение экспорта в Россию электронных компонентов
иностранного производства ...................................................................... 300
4.2.1.
Ограничение экспорта ЭКБ из США ............................................. 301
4.2.2.
Ограничение экспорта электронных компонентов из Европы
и других стран .................................................................................. 306
4.2.3.
Международные организации контроля экспорта ........................ 307
4.3.
Особенности применения индустриальных ЭКБ иностранного
производства в ракетно космической технике ....................................... 308
4.4.
Контрафактные микроэлектронные изделия и методы их выявления ...... 318
4.4.1.
Типы контрафактных компонентов ................................................ 318
4.4.2.
Эффективные методы выявления контрафактных изделий ......... 320
4.4.3.
Электрические испытания микроэлектронных изделий
космического назначения ............................................................... 323
4.5.
Особенности выбора и применения в отечественных космических
аппаратах иностранных процессоров....................................................... 330
4.5.1.
Проблемы применения иностранных процессоров
в отечественных КА ......................................................................... 330
4.5.2.
Варианты исполнения и квалификационные характеристики
микропроцессоров UT 699 и GR 712 .............................................. 331
4.5.3.
Архитектурные и аппаратные особенности микропроцессоров
UT 699 и GR 712 семейства Leon 3FT ............................................ 332
4.5.4.
Особенности программирования микропроцессора Leon 3 ......... 334
4.6.
Радиационно стойкие преобразователи постоянного тока
для космических и военных применений ................................................ 337
4.7.
Мировой опыт организации работ по созданию электронных
компонентов для бортовой аппаратуры космических систем ................ 344
4.8.
Ускоренные испытания ЭКБ КН на надежность .................................... 352
4.9.
Анализ результатов испытаний микросхем, закупленных в РФ
в период с 2009 по 2011 г. ........................................................................... 356
Литература к главе 4 ......................................................................................... 366
Глава 5. Методы минимизации энергопотребления микроэлектронных
устройств ................................................................................................................. 369
5.1.
Основные тенденции изменения параметров энергопотребления
микроэлектронных устройств ................................................................... 369
5.2.
Пути уменьшения величины рассеиваемой мощности
в КМОП БИС ............................................................................................ 373
5.3.
Основные источники рассеиваемой мощности в КМОП БИС ............. 384
5.4.
Логическое проектирование КМОП БИС с пониженным
энергопотреблением .................................................................................. 389
5.4.1.
Основы логического синтеза КМОП микросхем
с пониженным энергопотреблением .............................................. 389
5.4.2.
Определение источников рассеиваемой мощности
в КМОП микросхемах ..................................................................... 391
5.4.3.
Вероятностная оценка вариантов оптимизации по прогнозируемой
переключательной активности узлов микросхемы ....................... 393
5.4.4.
Выбор элементного базиса при проектировании КМОП СБИС
с пониженным энергопотреблением .............................................. 396
5.4.5.
Логический синтез КМОП БИС в базисе библиотечных
элементов ......................................................................................... 398
5.4.6.
Оптимизация двухуровневых логических схем с учетом
рассеивания мощности ................................................................... 399
5.4.7.
Выбор базовых вентилей технологически независимой
функциональной схемы .................................................................. 401
5.4.8.
Оптимизация многоуровневых логических схем
из многовходовых вентилей ............................................................ 402
5.4.9.
Оптимизация многоуровневых логических схем
из двухвходовых вентилей ............................................................... 404
5.4.10.
Технологическое отображение ...................................................... 407
5.4.11.
Оценка энергопотребления спроектированных КМОП БИС
на логическом и схемотехническом уровнях ............................... 408
5.4.12.
Технология проектирования КМОП БИС с пониженным
энергопотреблением с использованием комплекса ЭЛС ............ 410
5.4.13.
Архитектура программного комплекса ЭЛС ................................ 412
5.4.14.
Функциональные возможности программного комплекса ЭЛС .... 413
5.5.
Особенности организации режима пониженного энергопотребления
в современных интерфейсных БИС ......................................................... 417
5.5.1.
Микросхемы приемопередатчиков интерфейса RS 485 ............... 417
5.5.2.
Микросхемы приемопередатчиков интерфейса RS 232 ............... 423
5.5.3.
Конструктивно схемотехнические особенности проектирования
интерфейсных ИМС КН с пониженным напряжением питания .... 440
5.5.4.
Особенности проектирования электрических схем блоков
передатчика интерфейсных БИС с пониженным напряжением
питания ............................................................................................ 447
5.5.5.
Термонезависимый источник опорного напряжения,
равного ширине запрещенной зоны полупроводника .................. 452
5.5.6.
Варианты построения термонезависимых источников
опорного напряжения ..................................................................... 453
5.5.7.
Анализ схемотехнических особенностей организации
и применения триггеров Д типа ..................................................... 456
5.5.8.
Схемотехнические методы повышения помехоустойчивости
цифровых КМОП БИС ................................................................... 462
5.5.9.
Схемотехнические методы повышения устойчивости
микросхем к эффекту горячих электронов .................................... 475
Литература к главе 5 ......................................................................................... 480
Глава 6. Особенности технологического процесса изготовления
и базовых конструкций субмикронных транзисторов и диодов Шоттки .......... 485
6.1.
О терминологии субмикронной микроэлектроники .............................. 485
6.2.
Тенденции и перспективы развития современной технологии
в микроэлектронике .................................................................................. 487
6.2.1.
Проблема масштабирования ........................................................... 492
6.2.2.
Современная субмикронная технология – пример ее реализации
при изготовлении микропроцессоров ............................................ 493
6.3.
Особенности субмикронных МОП транзисторов .................................. 500
6.3.1.
Конструкции МОП транзисторов в СБИС ................................... 501
6.3.2.
Методы улучшения характеристик МОП транзисторов ............... 504
6.3.3.
МОП транзисторы со структурой «кремний на изоляторе» ......... 507
6.3.4.
Транзисторы с двойным, тройным и цилиндрическим
затвором ........................................................................................... 513
6.3.5.
Другие типы транзисторных структур ............................................ 518
6.3.6.
Особенности транзисторов для аналоговых применений ............. 520
6.4.
Конструктивно технологические особенности высокотемпературных
диодов Шоттки .......................................................................................... 522
6.4.1.
Физические основы функционирования диодов Шоттки ............ 522
6.4.2.
Конструктивно технологические особенности формирования
высокотемпературных диодов Шоттки .......................................... 525
6.4.3.
Методы обеспечения минимального обратного тока
и минимального прямого напряжения .......................................... 529
6.4.4.
Методы обеспечения минимального прямого напряжения
и максимального обратного напряжения ...................................... 532
6.5.
Конструктивно технологические особенности формирования
структур диодов Шоттки с повышенной устойчивостью к разрядам
статического электричества ...................................................................... 537
Литература к главе 6 ......................................................................................... 541
Глава 7. Особенности воздействия радиации на субмикронные
интегральные микросхемы .................................................................................... 549
7.1.
Физические механизмы воздействия радиации на субмикронные
КМОП интегральные микросхемы .......................................................... 550
7.2.
Воздействие радиации на аналоговые биполярные интегральные
микросхемы................................................................................................ 563
7.3.
Основные методы обеспечения радиационной стойкости
интегральных микросхем .......................................................................... 567
7.4.
Радиационная стойкость современных и перспективных ИМС ........... 568
7.5.
Рекомендуемый набор тестовых элементов для экспериментальных
исследований влияния радиационных воздействий на характеристики
кремниевых микросхем ............................................................................. 572
7.6.
Оборудование и методики облучения тестовых структур
и исследуемых образцов микросхем ......................................................... 575
7.7.
Методика измерения электрических параметров тестовых структур
после радиационной обработки ............................................................... 578
7.8.
Экспериментальные результаты воздействия электронного
облучения на параметры эпитаксиальных кремниевых p n структур ....... 581
7.9.
Экспериментальные результаты исследования воздействия
проникающей радиации на параметры биполярных транзисторных
структур ...................................................................................................... 588
7.10.
Экспериментальные исследования влияния ионизирующих
излучений на параметры биполярных аналоговых интегральных
микросхем ................................................................................................ 593
7.11.
Экспериментальные результаты исследований воздействия
ионизирующих излучений на параметры транзисторных
МОП структур и интегральных микросхем на их основе..................... 601
7.11.1.
Исследование влияния гамма излучения на параметры
транзисторных МОП структур ..................................................... 601
7.11.2.
Экспериментальные исследования воздействия гамма излучения
на параметры МОП конденсаторов и транзисторных
МОП-структур – элементов субмикронных КМОП ИMС......... 609
7.11.3.
Особенности воздействия гамма-излучения на параметры
МОП ячеек памяти ЭСППЗУ ....................................................... 612
7.11.4.
Экспериментальные исследования воздействия проникающего
излучения на параметры логических КМОП ИМС..................... 615
7.11.5.
Влияние ионизирующего излучения на параметры
КМОП БИС памяти....................................................................... 620
7.11.6.
Экспериментальные исследования влияния радиационного
воздействия на параметры транзисторных МОП/КНИ структур
и КМОП БИС ОЗУ на их основе .................................................. 627
7.11.7.
Экспериментальное исследование воздействия
проникающего излучения на параметры БиКМОП БИС........... 635
7.12.
Особенности применения имитационных методов исследования
радиационных эффектов в БиКМОП микросхемах ............................. 642
Литература к главе 7 ......................................................................................... 653
Глава 8. Методы прогнозирования и повышения радиационной
стойкости биполярных и КМОП интегральных микросхем ............................... 665
8.1.
Методы прогнозирования радиационной стойкости КМОП ИМС ...... 665
8.1.1.
Расчетно-экспериментальные методы прогнозирования
радиационной стойкости МОП-приборов .................................... 665
8.1.2.
Метод прогнозирования (отбора) КМОП ИМС
по радиационной стойкости ........................................................... 671
8.2.
Расчетно экспериментальные методы прогнозирования
радиационной стойкости биполярных и БиКМОП приборов ............... 674
8.3.
Расчетно-экспериментальный метод прогнозирования
радиационной стойкости МОП запоминающих элементов ЭСППЗУ ...... 676
8.4.
Методы повышения устойчивости ИМС к воздействию
проникающей радиации............................................................................ 677
8.4.1.
Конструктивно-технологические методы повышения
радиационной стойкости КМОП и БиКМОП микросхем ........... 677
8.4.2.
Стандартные конструктивно схемотехнические методы
повышения радиационной стойкости ИМС ................................. 680
8.4.3.
Новые конструктивно схемотехнические методы повышения
радиационной стойкости КМОП БИС .......................................... 688
Литература к главе 8 ......................................................................................... 693
Предисловие
Первоначальное по замыслу авторов назначение этой книги – ознакомить разработчиков бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (КА) и
систем двойного и специального назначения с современными подходами к проектированию и
применению микроэлектронной элементной базы этой аппаратуры.
Однако в процессе написания книги, сбора и обработки имеющейся обширной
информации, бесед с чиновниками и специалистами отечественной и зарубежной
космической и микроэлектронной отраслей промышленности первоначальный замысел авторов был существенно изменен. Полученные в результате анализа обширные дополнительные материалы заставили отказаться от исходного формата
книги, и кроме изложения собственно особенностей и проблем проектирования
современных микроэлектронных устройств для приборов космического и специального назначения здесь представлен значительно более расширенный материал.
Весь этот материал автором пришлось оформить в виде «двухтомника», где
кроме глав, посвященных непосредственно проблемам проектирования современных микроэлектронных устройств космического и специального (военного) назначения, появились
главы, посвященные другим «космическим» проблемам –
как устроены современные космические аппараты (КА), какова роль радиоэлектронного бортового оборудования в достижении цели проекта, для которого разрабатывался этот КА, какова статистика аварий и отказов этих аппаратов, почему
эти аварии и отказы в значительной степени связаны с качеством и функциональными
возможностями используемых в их бортовых РЭА микросхем, почему в РФ
активно применяются контрафактные микросхемы и как с ними бороться, како-
вы физические механизмы воздействия на РЭА КН ионизирующих излучений
космического пространства и потоков сверхскоростных высокоэнергетических
микрочастиц (космическая пыль) и какими методами и технологическими реше-
ниями можно если не исключить, то хотя бы уменьшить их влияние на надеж-
ность функционирования РЭА космического и специального назначения – и
многое другое.
Необходимость такого существенного увеличения объема книги было во мно-
гом обусловлена информацией, почерпнутой авторами из фундаментального труда
Железнякова А.Б. «Тайны ракетных катастроф. Плата за прорыв в космос» / М.:
Эксмо: Яуза, 2011. – 544 с., где фактически в сжатом виде детально изложена вся
история как отечественной, так и мировой космонавтики.
Изложенные в этой работе факты, описания всех основных этапов грандиоз-
ной эпопеи выхода человечества за пределы нашей Земли, показали всю слож-
ность этой чрезвычайно важной для человечества задачи, а также «высветили»
роль так называемой ЭКБ – элементно-компонентной базы в процессе покоре-
ния космоса.
Конечно, автор этой работы (Железняков А.Б.) не предполагал, что всю массу
достоверно изложенных им триумфальных и трагических событий процесса ос-
воения космического пространства будут читать специалисты по электронике и
рассматривать события под своим углом зрения, с учетом своего опыта и знаний в
сфере микроэлектроники.
К сожалению, и в этом читатели сами могут легко убедиться, обратившись к
первоисточнику, более чем в трети случаев аварий и отказов КА одной из наибо-
лее вероятных причин этих событий является отказ этой самой ЭКБ.
Забегая вперед, одной из многих задач этой книги авторы считают и такую –
проектируя конкретную бортовую радиоэлектронную аппаратуру для КА и выбирая
для этого уже имеющуюся на рынке (или разрабатывая новую ЭКБ) разработчики
должны представлять себя на месте тех людей (космонавтов, сотрудников назем-
ных служб обеспечения КА, военных), жизни которых самым непосредственным
способом будут зависеть от надежности этой самой РЭА. Так в оглавлении книги
появились непредусмотренные ранее главы о структуре и составе бортовой аппара-
туры КА, о детальном сравнительном анализе статистики и причинах аварий и от-
казов ракетоносителей и КА, о контрафактной ЭКБ и способах борьбы с ней.
В ходе изучения этого дополнительного и непосредственно никак не связан-
ного с профессиональной деятельностью авторов (микроэлектроника и ее при-
ложения) материала возникла объективная необходимость сравнить подходы раз-
работчиков КА разных стран (США, СССР/РФ, Китая, стран Евросоюза и др.) к
развитию соответствующей инфраструктуры и принципов использования ЭКБ в
КА и военной технике.
К удивлению авторов – дилетантов оказалось (и это отражено в материалах
книги), что, например, в Китае, намного позже включившемся в «космическую
гонку», в последние годы соотношение числа удачных к неудачным пускам КА
значительно лучше, чем в США и РФ, что у них на момент написания этой книги
в КА используется не менее 98% собственной ЭКБ (для РФ этот показатель – в
зависимости от источника информации – лежит в диапазоне только от 20 до 30% –
все остальное – это иностранная ЭКБ), а их КА уже далеко не повторяют амери-
канские и российские технические решения, а во многом их опережают, а, на-
пример, в области разработки «противоспутникового» оружия они продвинулись
весьма существенно вперед, продемонстрировав наблюдающим за ними конку-
рентам (США и РФ) активно маневрирующие на орбите и выполняющие различ-
ные манипуляции роботы-спутники («убийцы» спутников), а их «нефритовый
заяц» достаточно комфортно чувствует себя на Луне.
В итоге вместо задуманного авторами скромного однотомного руководства
по проектированию современных высоконадежных ИМС и ПП для космической
и военной техники, читателю предлагается своего рода энциклопедия космичес-
кой электроники, обобщающая в объеме двухтомника основную имеющуюся в
открытой печати информацию как о причинах основных аварий и отказов кос-
мической техники за весь период ее развития, так и практические рекомендации
по проектированию надежной элементной базы для бортовой РЭА.
Авторы выражают благодарность коллегам, активно участвовавшим в подго-
товке и обсуждении материалов книги, критические замечания и дополнения ко-
торых способствовали улучшению как структуры книги, так и излагаемого в ней
материала – Бибило П.Н., Богатырев Ю.В., Борисенко В.Е., Бондаренко В.П., Дол-
гий Л.Н., Овчинников В.И., Стемпицкий В.Р., Ушеренко С.М., Коршунов В.П.,
Критенко М.И., Стешенко В.Б., Турцевич А.С., Телец В.А., Мерданов М.К., Мака-
ров Ю.Н., Никифоров А.Ю., Черемисинова Л.Д., Шиллер В.А. и др.
Следует отметить, что многие из этих коллег предоставили авторам ориги-
нальные материалы собственных исследований по тематике этой книги – их вклю-
чение в состав книги в значительной степени усилило практическую направлен-
ность работы.
Авторы также выражают благодарность рецензентам – академику Витязю П.А.
и академику Лабунову В.А., конкретные замечания и предложения которых в зна-
чительной степени способствовали формированию окончательного варианта пред-
лагаемой читателю книги.
Огромный объем работ по техническому оформлению рукописи был выпол-
нен Гордиенко С.В. и Горовой Е.В.
При написании книги авторы использовали многочисленные открытые зару-
бежные и отечественные источники, результаты собственных научных исследо-
ваний и практические результаты, полученные ими в области проектирования
современных микроэлектронных изделий, учитывая специфику исследуемых про-
блем – достоверная информация о результатах анализа причин катастроф и ава-
рий как в СССР/РФ, США, так и в Китае редко появляется в открытой печати.
Поэтому здесь авторы использовали также информацию, полученную во время
личных встреч и переговоров с сотрудниками китайской и индийской космичес-
кой промышленности, в том числе – неоднократных встреч и дискуссий с Абдул
Каламом (его называют «индийский Королев») – до того периода времени, когда
он был избран Президентом Индии – и другими авторитетными специалистами.
Введение
Уникальность предмета исследований книги – космическая и специальная (эк-
стремальная) микроэлектроника – элементная база современной ракетно-кос-
мической техники (РКТ), а также систем вооружений и военной техники.
Впервые в отечественной научно-технической литературе сделана попытка
рассмотреть в рамках одной книги всю сложную цепь взаимосвязанных этапов
создания электронных блоков РКТ – от разработки требований к этим блокам и
их элементно-компонентной базе (ЭКБ) до выбора технологического базиса ее
реализации, методов проектирования микросхем и на их основе бортовых систем
управления аппаратурой космического и специального назначения.
Структура и последовательность изложения материала здесь направлена на из-
ложение достаточно сложного материала в максимально упрощенном (но не в ущерб
качеству) виде. Читателю последовательно излагается достаточный для понимания
проблемы, но минимальный объем информации – от устройства и классификации
космических аппаратов и их бортовых систем, результатов статистического анали-
за причин их аварий и отказов до особенностей выбора и применения ЭКБ иност-
ранного производства. Основной объем представленного материала касается про-
блем проектирования микросхем космического назначения – от выбора техноло-
гии изготовления до методов их проектирования с учетом особенностей глубокого
субмикрона.
Для достижения этой цели материал книги представлен в виде 20-ти глав.
В первой главе в сжатом виде представлены основные направления и тенден-
ции развития космической техники и технологии, приводится классификация кос-
мических аппаратов, дается краткое описание их устройства, принципов органи-
зации и функционирования основных электронных бортовых систем управления,
ибо именно исходя из требований к функциональным возможностям и техничес-
ким характеристикам этих систем формулируются требования к их ЭКБ. Более
подробно рассмотрены космические аппараты дистанционного зондирования
Земли, поскольку в одной из последующих глав рассмотрены практические при-
меры проектирования для них специализированных ПЗС – микросборок.
Здесь же кратко рассмотрены основные механизмы воздействия на КА фак-
торов космического пространства (радиации, микрометеоритов и др.).
В последнем параграфе главы рассмотрены основные направления развития
новых направлений в космическом приборостроении – применение МЭМС-тех-
нологий для создания миниатюрных (размерами со спичечный коробок) реак-
тивных двигателей космического назначения.
Вторая глава посвящена общим проблемам обеспечения безопасности ракет-
но-космической техники, систематизации и анализу основных причин катаст-
роф, аварий, отказов ракетоносителей и КЛА. Приводятся обобщенные по от-
крытым источникам информации статистические данные по изменению харак-
тера и причин отказов на основных этапах развития космической техники, пока-
зана роль надежности используемой ЭКБ в решении задачи снижения рисков
отказов, формулируются основные требования к количественным показателям
надежности и долговечности ЭКБ КН.
Отдельно здесь рассмотрены специальные методы обеспечения надежности
бортовой аппаратуры КА длительного функционирования.
Третья глава посвящена общим вопросам выбора микроэлектронной ЭКБ для
устройств ракетно-космической техники. Рассмотрена типовая структура контрол-
лера бортовой электронной системы управления КА, даны конкретные примеры
использования процессоров и микроконтроллеров в электронных системах уп-
равления иностранными КА,
Детально рассмотрены основные технические характеристики и функциональ-
ные особенности почти всех известных отечественных микроконтроллеров двой-
ного и специального назначения, а также важные для практического применения
особенности проектирования и организации производства микросхем для кос-
мических применений.
При рассмотрении последнего вопроса большое внимание уделено особеннос-
тям использования фаблес – модели, когда оригинальная микросхема проектиру-
ется отечественным дизайн-центром под требования конкретного заказчика – раз-
работчика РЭА космического или специального применения, а затем изготавлива-
ется на одной из зарубежных микроэлектронных фабрик, отдельный параграф гла-
вы посвящен важным для инженера-дизайнера особенностям выбора конкретного
конструктивно-технологического базиса (типа технологии, минимальных проект-
ных норм уровня глубокого субмикрона) для проектирования микросхем косми-
ческого назначения.
Система электроэнергообеспечения современных космических аппаратов во
многом определяет их конечные тактико-технические характеристики, поэтому
здесь детально рассмотрены состав и технические характеристики соответствую-
щей отечественной ЭКБ для систем электрообеспечения.
Для стремительно развивающегося в РФ космического направления – спут-
ников и специальной аппаратуры дистанционного зондирования Земли – пред-
ставлено описание соответствующей ЭКБ, рассмотрены функциональные возмож-
ности, технические характеристики и особенности применения.
Поскольку воздействие ионизирующих излучений космического пространства
является одним из главных факторов, ограничивающих сроки активного суще-
ствования КА и приводящих к отказам и сбоям в работе бортовой РЭА (примерно
в 30% случаев отказов функционирования их причиной является воздействие ра-
диации), отдельный параграф целиком посвящен общим вопросам обеспечения
стойкости бортовой РЭА к ионизирующим излучениям.
В частности, рассмотрены вопросы формирования соответствующих требо-
ваний и определения локальных радиационных условий на борту КА, особеннос-
ти методик оценки радиационной стойкости бортовой РЭА, а также рекоменда-
ции по повышению эффективности использования элементов радиационной за-
щиты от воздействия тяжелых заряженных частиц, основные нормативные мето-
дики оценки радиационной стойкости бортовой РЭА.
Поскольку, кроме микросхем, при построении РЭА КН широко используют-
ся и дискретные полупроводниковые приборы, в конце главы рассмотрена но-
менклатура силовых полупроводниковых приборов КН (мощные полевые тран-
зисторы, диоды, IGBT-модули и др.).
Четвертая глава посвящена особенностям выбора и применения в составе
отечественных космических аппаратов ЭКБ иностранных производителей. Рас-
смотрены общие проблемы и подходы к выбору такой ЭКБ. Отдельно анализиру-
ются нормативные документы США и Евросоюза, ограничивающие экспорт в
Россию этих компонентов, рассмотрены пути и механизмы решения сопутствую-
щих проблем.
Поскольку приобретение иностранной ЭКБ категории Space обычно пред-
ставляет собой достаточно сложную задачу, на практике для проектирования РЭА
КН широко используют иностранную ЭКБ категории Industry (промышленного
назначения). Детально рассмотрены особенности применения этих изделий в ра-
кетно-космической технике, приводится перечень обязательных мероприятий,
которые должен выполнить разработчик РЭА перед тем, как поставить эти образ-
цы в электронные блоки проектируемой РЭА КН. Отдельный параграф посвя-
щен проблемным особенностям выбора иностранной ЭКБ для РЭА стратегичес-
ки значимых отечественных объектов.
Одной из важнейших проблем комплектации РЭА КН импортными микро-
электронными изделиями является проблема так называемого «контрафакта».
Причем эта проблема не только для российских разработчиков, она носит гло-
бальный характер – известно много случаев, когда даже в электронные системы
подводных лодок, боевых самолетов США и стран НАТО, космической аппарату-
ры НАСА и Европейского космического агентства попадали контрафактные (под-
дельные, клонированные) микросхемы низкого качества китайского производ-
ства (в Китае налажено массовое производство таких изделий).
В последние годы все больше контрафактных изделий выявляется и российс-
кими специалистами, а в ряде случаев однозначно установлена их ответственность
за отказы РКТ.
Дана следующая классификация контрафактных изделий: пиратская версия
(клон), компонент не соответствует стандартам изготовления оригинального изде-
лия; компонент не изготовлен сертифицированным на то производителем; компо-
нент является дефектным или ранее бывшим в употреблении, но поставленным
под видом новых компонентов; компонент имеет некорректную (или поддель-
ную) маркировку и сопроводительную документацию. В итоге контрафактную
продукцию можно отнести к следующим более частным категориям: повторно
используемые, перемаркированные, дефектные (бракованные), незаконно (на-
пример, сверх договорного объема) произведенные, клонированные, незаконно
измененные (восстановленные) изделия, а также компоненты с поддельной до-
кументацией.
Для каждой из этих категорий рассмотрены эффективные методы их выявле-
ния. Подробно описан один из таких эффективных методов – специальный ком-
плекс электрических и температурных испытаний с конкретными примерами из
практики анализа. Рассмотрены особенности выбора и применения в отечествен-
ных космических аппаратах иностранных процессоров и микроконтроллеров,
необходимых для построения высокопроизводительных и надежных бортовых
цифровых вычислительных комплексов (БЦВК) – как для систем полезной на-
грузки, так и для платформы космических аппаратов. Детально проанализирован
наиболее широко используемый с 2009 г. в космической отрасли США и стран ЕС
разработанный компанией Aeroflex процессорный комплект Leon 3FT (микро-
процессоры UT699 и GR712): варианты использования, квалификационные ха-
рактеристики, архитектурные и аппаратные особенности, особенности програм-
мирования и пр.
Отдельный параграф посвящен иностранным радиационно-стойким преоб-
разователям постоянного тока для космических и военных применений, объем
импорта которых в Россию за последние 5 лет увеличился на порядок. Как извес-
тно, система электропитания любого спутникового оборудования должна быть
адаптирована к высокой тактовой частоте работы и быстрому изменению нагруз-
ки на шине питания. Показано, что для этого требуется, чтобы эти DC/DC пре-
образователи и стабилизаторы обладали переходными характеристиками на уровне
не ниже десяти ампер на микросекунду при изменении нагрузки в полном диапа-
зоне, при этом максимальное отклонение величины выходного напряжения не
должно превышать ±5%, ибо любое превышение предельно допустимого напря-
жения питания процессора или ПЛИС при таком изменении нагрузки может при-
вести к мгновенному (или скрытому) отказу микросхемы бортовой РЭА.
Здесь же представлены основные результаты обобщения мирового опыта орга-
низации работ по созданию электронных компонентов для бортовой аппаратуры
космических аппаратов, поскольку специфика ЭКБ КН заключается в том, что ее
развитие идет своим путем, отличным от развития электроники общепромыш-
ленной, ориентированной на выпуск массовой продукции с коротким жизнен-
ным циклом и быстрой сменяемостью типов изделий.
Представлены особенности организации работ по развитию ЭКБ КН в США,
где этим занимаются параллельно три ведомства – министерства обороны и энер-
гетики, НАСА, а также в Европе, Японии и Китае.
В пятой главе рассмотрены основные направления решения одной из наибо-
лее актуальных проблем космической микроэлектроники – снижение энергопот-
ребления микроэлектронных устройств космического назначения. Актуальность
проблемы обусловлена тем очевидным фактом, что функциональные возможно-
сти и производительность бортовой РЭА неуклонно увеличиваются, а закон со-
хранения энергии никто еще не отменил. Если за каждый килограмм (тонну) по-
лезной нагрузки конструкторам ракетно-комической техники приходится пла-
тить сокращением «избыточных» функций, то для обеспечения минимизации
энергопотребления электронных блоков приходится использовать самые различ-
ные методы и способы, основанные на использовании как особенностей собствен-
но микроэлектронных технологий изготовления ЭКБ, так и целого спектра ори-
гинальных конструктивно-схемотехнических методов. Пятая глава как раз и по-
священа описанию основных из этих методов.
В начале главы рассмотрены основные механизмы рассеивания мощности в
наиболее широко используемых в КА КМОП-микросхемах, физические, схемотех-
нические, технологические и системотехнические (архитектурные) ограничения,
которые надо знать и учитывать разработчиками и потребителям микросхем кос-
мического применения. Особое внимание в этой главе уделено интерфейсным мик-
росхемам, которые позволяют обеспечивать совместное функционирование в со-
ставе бортовой системы самых различных функциональных блоков, узлов и эле-
ментов систем как единичного целого, организовать взаимодействие различных
электронных бортовых систем КА между собой, обеспечить быстрый и надежный
информационный обмен как между этими «внутренними» системами, так и с «вне-
шними» устройствами. Без так называемого «развитого интерфейса» невозможна
эффективная эксплуатация самых современных вычислительных и управляющих
бортовых систем КА. Важнейшими элементами интерфейса являются специаль-
ные микросхемы, используемые для построения интерфейсных каналов, которые
имеют множество разновидностей, отличающихся функциональными возможнос-
тями, схемотехническими и конструктивно-технологическими решениями, систе-
мой электрических параметров и особенностями применения. Единственное, что
их объединяет, – проблема минимизации их энергопотребления при работе в со-
ставе бортовых систем РЭА КН, а также условия работы (высокий уровень вне-
шних помех, высокие значения переключаемых (коммутируемых) и нагрузочных
токов, экстремальные электрические нагрузки, работа в условиях радиационных и
механических воздействий. Особенности проектирования и применения интерфей-
сных микросхем предыдущего поколения достаточно подробно были изложены в
работе А.И. Белоуса, О.Е. Блинкова «Биполярные микросхемы для интерфейсов
систем автоматического управления (Ленинград, «Машиностроение», 1990 г., 272 с.),
на которую в главе даются соответствующие ссылки.
Однако новому поколению интерфейсных микросхем присущи и новые про-
блемы, и новые методы их разрешения, поэтому здесь основное внимание чита-
телей сконцентрировано на особенностях организации режимов понижения энер-
гопотребления в современных интерфейсных микросхемах преимущественно с
последовательной (а не параллельной) передачей данных. Рассмотрены наиболее
часто используемые разработчиками бортовой РЭА микросхемы приемо-передат-
чиков пониженного энергопотребления типа RS-232 и RS-485, приведены конст-
руктивно-схемотехнические особенности их проектирования, дан развернутый
пример проектирования конкретной схемы электрического блока передатчика,
источника температуронезависимого опорного напряжения и др.
Основные конструктивно-схемотехнические особенности проектирования
ИМС КН с пониженным напряжением питания детально рассмотрены в рамках
отдельного параграфа.
Учитывая широкое использование в интерфейсных (и не только) микросхе-
мах элементов памяти (Embedded memory – встроенная память), последний па-
раграф этой главы посвящен детальному анализу схемотехнических особеннос-
тей организации и применения наиболее часто используемых типов базовых эле-
ментов (ячеек) памяти – различного вида триггеров D-типа.
Учитывая повышенный уровень различного рода помех, генерируемых на борту
эксплуатируемого космического аппарата (орбитальной станции, навигационного
спутника, межпланетного космического аппарата), в эту главу включен специ-
альный параграф, посвященный детальному анализу как самих источников воз-
никающих помех, так и конструктивно-схемотехническим методам их подавле-
ния на ранних этапах – проектирования как собственных заказных микросхем,
так и на этапах их последующего применения в составе бортовой РЭА КН.
Шестая глава посвящена особенностям технологического процесса изготов-
ления и базовым конструкциям современных транзисторов и диодов Шоттки,
предназначенных для использования при проектировании и изготовлении мик-
росхем и полупроводниковых приборов космической микроэлектроники.
Эта глава необходима для понимания современных тенденций и перспектив
развития современной микроэлектроники, которая развивается в направлении
так называемого «глубокого субмикрона». На первый план здесь выходит пробле-
ма масштабирования геометрических размеров интегральных микросхем – умень-
шение линейных (горизонтальных) и вертикальных (параметров активной струк-
туры базового транзистора) размеров вызвала к жизни совершенно новые, ранее
неизвестные физические механизмы отказов этого нового поколения микроэлек-
тронных изделий.
Поэтому здесь детально рассмотрены особенности технологий изготовления и
формируемые этими технологиями конструкции субмикронных МОП-транзисто-
ров. Представлен общий анализ этих конструкций, дано описание наиболее часто
используемых в практической деятельности инженеров-разработчиков БИС мето-
дов улучшения рабочих характеристик МОП-транзисторов для проектных норм 90,
65, 45 нм и менее, отдельно рассмотрены особенности, достоинства и основные
недостатки МОП-транзисторов со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ), осо-
бенности транзисторов с двойным, тройным, и так называемым «цилиндрическим
затвором», а также другие используемые в БИС КН типы транзисторных структур.
В рамках отдельного параграфа рассмотрены особенности использования в составе
БИС КН специальных конструкций транзисторов для аналоговых применений.
Также отдельный параграф главы посвящен конструктивно-технологическим
особенностям изготовления и использования в составе микроэлектронных уст-
ройств высокотемпературных диодов Шоттки – представлены более пятидесяти
вариантов их конструкций с соответствующими комментариями в зависимости
от решаемых ими задач в составе конкретных микросхем и дискретных полупро-
водниковых приборов космического назначения.
Седьмая глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу осо-
бенностей воздействия ионизирующих излучений космического пространства на
субмикронные интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые при-
боры. Если физические механизмы воздействия радиации на «досубмикронные»
микросхемы были достаточно хорошо изучены и представлены в многочисленных
открытых отечественных и зарубежных изданиях, то при использовании субмик-
ронных проектных норм образовался определенный «информационный вакуум» –
в различных литературных источниках часто публиковалась прямо противополож-
ная информация, вплоть до того что субмикронные микросхемы вообще нельзя
использовать в космической аппаратуре из-за якобы их низкой стойкости к иони-
зирующим излучениям открытого космического пространства.
Во многом это объясняется жесткой конкурентной борьбой на рынке изгото-
вителей БИС КН, а также чисто экономическими факторами – разработка суб-
микронной технологии требует вложения уже не сотен тысяч долларов, а сотен
миллионов для уровня 90 нм и достигает нескольких миллиардов долларов для
уровня 45 нм и менее.
К сожалению, на основании подобной дезинформации были приняты и оп-
ределенные решения лидерами отечественной ракетно-технической отрасли, от-
ветственными за принятие решений в области использования ЭКБ для косми-
ческого аппаратостроения.
Поэтому в данной главе детально рассмотрены конкретные особенности и
физические механизмы воздействия радиации на субмикронные БИС (КМОП,
биполярные, цифровые, аналоговые, схемы памяти), а также представлены основ-
ные методы обеспечения их радиационной стойкости, включая рекомендации по
составу тестовых приборов, элементов для экспериментальных исследований вли-
яния радиационных воздействий на характеристики кремниевых микросхем, ре-
комендации по используемому оборудованию и методикам облучения образцов,
методикам их измерений после радиационной обработки.
Достоинством материалов этой главы является то, что в отличие от различного
рода утверждений о «стойкости» или «нестойкости» базовых конструкций субмик-
ронной БИС в десяти параграфах главы представлены конкретные результаты экс-
периментальных исследований (преимущественно отечественных, в том числе ав-
торских, а также авторитетных зарубежных исследователей) о воздействии разного
рода излучений на характеристики различных микроэлектронных приборов.
Так, представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований
воздействия гамма-излучения на параметры субмикронных МОП-транзисторов,
МОП-конденсаторов, ячеек памяти на МОП-транзисторах, логических МОП
ИМС, КМОП ОЗУ, ПЗУ, БиКМОП БИС, МОП/КНИ структур и БИС ОЗУ на их
основе.
Принимая во внимание объективные технические и финансовые проблемы
разработчиков РЭА КН в отношении возможности проведения натурных испы-
таний (полигон в Семипалатинске во времена СССР эти проблемы закрывал), в
последнем параграфе этой главы приводятся описания особенностей примене-
ния и физические обоснования целесообразности применения адекватных ими-
тационных методов исследований радиационных эффектов и методов прогнози-
рования на их основе радиационной стойкости КМОП и БиКМОП-микросхем.
Здесь же представлены конкретные и только апробированные в отечествен-
ной и зарубежной практике методы повышения устойчивости различных классов
БИС к воздействию факторов проникающей радиации (гамма, альфа, бета излу-
чениям, тяжелым заряженным частицам, протонам, нейтронам и другим видам
ионизирующих излучений). Детально описаны методики облучения, методики
измерений электрических параметров тестовых структур и образцов типовых пред-
ставителей основных классов ИМС, состав и особенности используемого при этом
оборудования, технической оснастки и специальных программных обеспечений.
Следующая, восьмая глава целиком посвящена описанию апробированных рас-
четно-экспериментальных методов прогнозирования и расчета уровней радиаци-
онной стойкости как биполярных (цифровых, логических и аналоговых), так и
стандартных КМОП интегральных микросхем.
Здесь же рассмотрены основные конструктивно-технологические и схемотех-
нические методы повышения радиационной стойкости КМОП и БиКМОП-мик-
росхем.
Девятая глава целиком посвящена конкретным аспектам проектирования
микросхем космического применения на основе наиболее быстро развивающе-
гося направления радиационно-стойких ИМС – КНС и КНИ – структур.
Данная глава претендует на фундаментальный характер анализа уровня раз-
вития этого направления развития микроэлектронных технологий, поскольку
содержит достаточно объемную теоретическую часть (анализ особенностей де-
фектообразования в кремнии (и поликремнии) вследствие облучения импульса-
ми гамма-квантов, описание самих радиационных дефектов, их комплексов и
кластеров, описание физических механизмов влияния радиации на проводимость
диэлектрических слоев, свойства границы Si/SiO2 и др.
Приводится сравнение радиационных свойств КНИ ИМС изготовленных раз-
личными технологическими способами, анализируются пути повышения стабиль-
ности и надежности структур с различными диэлектрическими слоями.
Несомненным достоинством главы, с точки зрения авторов, является деталь-
ное описание физических явлений и процессов, происходящих в КНИ БИС в ус-
ловиях воздействия на них различных ионизирующих излучений (единичные сбои,
единичная «защелка», единичное «выгорание», единичный пробой затвора, еди-
ничное восстановление эффекта так называемой «однотранзисторной» защелки),
а также эффектов воздействия импульсного излучения и эффектов «полной дозы».
Все вышеизложенные выводы и рекомендации подтверждаются изложением
результатов конкретных экспериментальных исследований образцов, приведен
состав соответствующих тестовых элементов и получены экспериментальные ре-
зультаты для всех базовых элементов БИС (транзисторы различных конфигура-
ций, резисторы, диоды, конденсаторы).
В заключение приведены наиболее широко используемые конструктивно-тех-
нологические и конструктивно-схемотехнические методы повышения стойкости
КНИ ИМС, в том числе путем стабилизации заряда в «скрытом» диэлектрике
КНИ-структур (путем дополнительной имплантации ионов водорода, путем им-
плантации фтора), а также особенности формирования в КНИ-структурах МОП-
транзисторов с «кольцевыми» затворами, коротко-канальных КНИ МОП-тран-
зисторов и самосовмещенных КНИ МОП-транзисторов с «кольцевым» затвором.
Отдельный параграф главы посвящен сводному анализу конструктивно-тех-
нологических методов повышения устойчивости КНИ-структур к воздействию
факторов открытого космического пространства, предложенных в открытых па-
тентах США.
Также в отдельный параграф выделены вопросы повышения стойкости КНС
и КНИ БИС ОЗУ к воздействию наиболее «опасного» – импульсного ионизирую-
щего излучения (анализ основных радиационных дефектов, приводящих к сбоям в
работе базовых элементов и микросхем, описание методик и аппаратных реали-
заций радиационного эксперимента, ионизационные эффекты в полупроводни-
ковых слоях КНС и КНИ-структур, анализ процесса ионизационной реакции КНС
МОП-транзисторов и импульсное ионизирующее излучение, локальные иониза-
ционные эффекты в диэлектрических областях КМОП КНС БИС ЗУ и др.)
Не менее фундаментальной с точки зрения содержания материала является
десятая глава, посвященная анализу общих проблем проектирования субмикрон-
ных БИС КН и электронных блоков ИС на их основе. Структура главы состоит из
шести разделов, содержащих в свою очередь 33 подраздела, каждый их которых
независимо от представленного объема материала одинаково важен для исполь-
зования в процессе проектирования субмикронных БИС КН.
Использование субмикронной технологии (с технологическими нормами 90 нм
и менее) ставит новые проблемы при проектировании как цифровых, так и анало-
говых КМОП БИС. Некоторые из этих проблем ранее вообще не встречались, тог-
да как другие существовали и ранее, но сегодня приобрели более существенное зна-
чение.
При приближении от 90 нм к 65 нм и тем более к 45 нм перед проектировщи-
ками встают новые проблемы, обусловленные возрастающим влиянием электри-
ческих и физических эффектов, связанных с высокой плотностью межсоедине-
ний и высокой плотностью компоновки транзисторов (динамическое падение
напряжения на переходных сопротивлениях, «антенные» эффекты и эффекты
перекрестного взаимодействия, возрастание роли токов утечки, электромиграция
и многие другие).
Рассмотрены современные тенденции масштабирования, возникающие при
этом проблемы и пути их решения.
Одной из основных проблем является рост величины потребляемой кристал-
лом как статической, так и динамической мощности, обусловленной токами утеч-
ки. Даны рекомендации, как возможно на этапе проектирования управлять опти-
мальным распределением рассеиваемой мощности по площади кристалла.
Детально проанализированы все основные виды токов, протекающих в ак-
тивной и пассивной структурах транзистора (подпороговые токи утечки, туннель-
ные токи затвора, ток выключения, токи переходов и др.), причины их возникно-
вения, выражения для расчета их численных значений.
Особое внимание уделено проблеме расчета и управления величиной дина-
мической мощности в структуре типового субмикронного кремниевого МОП-
транзистора (использование схемотехники блоков с заданной величиной задерж-
ки переключения, корректный учет задержек распространения сигналов на меж-
соединениях и переходных сопротивлениях межуровневых контактов, способы
снижения уровня потребляемой в процессе переключения мощности, методы
библиотечной оптимизации и др.).
В заключительных параграфах главы рассмотрены еще две актуальные для
инженеров-разработчиков проблемы – влияние температуры на характеристики
МОП-транзисторов, изготовленных по технологии глубокого субмикрона (тем-
пературные зависимости подпороговых токов утечки, туннельного тока затвора,
входного и выходного токов, токов переходов), а также влияние разбросов (флук-
туаций) технологических параметров на основные электрические параметры суб-
микронных МОП-транзисторов. Связанное с технологией изготовления откло-
нение электрических параметров базовых транзисторов всегда было серьезной
проблемой для разработчиков – схемотехников и инженеров-технологов. На тех-
ническом сленге это явление известно как Yield Killer (убийца выхода годных).
Неожиданно для самих исследователей этой проблемы выяснилось, что для
субмикронной технологии эффект Yield Killer оказывает действительно «убий-
ственное» влияние на основные рабочие характеристики МОП-транзисторов, и
чем меньше проектная норма, тем сложнее с ним бороться.
Здесь показано, что флуктуации (случайный разброс) технологических пара-
метров в зависимости от их природы можно разделить на «глобальные» и «локаль-
ные». Если «глобальные» флуктуации оказывают влияние на все идентичные ком-
поненты (пластины в реакторе подвергаются неравномерному нагреву в зависимо-
сти от места их расположения), то «локальные» влияют не только на конкретную
пластину, но даже на единичный кристалл (неравномерный нагрев пластины в цен-
тре и на периферии в процессе высокотемпературного окисления и др.).
Поэтому особое внимание уделено влиянию этих технологических флуктуаций
на величину токов утечки. В частности, показано, что подпороговый ток Isub (раз-
брос значений которого дополнительно обусловлен флуктуацией дозы легирова-
ния, толщины подзатворного окисла, длин каналов) экспоненциально зависит от
важнейших параметров транзистора – пороговых напряжений и туннельного тока
затвора, причем эта зависимость носит ярко выраженный нелинейный характер
даже в случае незначительного увеличения разброса технологических параметров.
В завершении главы сформулированы конкретные рекомендации по сниже-
нию токов утечки в МОП-транзисторах, изготовленных по субмикронным тех-
нологиям, перечислены основные ограничения, связанные с уменьшением их
линейных размеров, даны конкретные рекомендации по методам минимизации
токов утечки при проектировании микросхем как на системном (архитектурном),
так и на логическом и схемотехническом уровнях реализации проекта.
Глава 11 посвящена особенностям проектирования систем на кристалле (СНК)
и систем в корпусе (СВК), предназначенных для использования в бортовой РЭА
КН, а также в системах вооружения и военной техники.
По определению СВК представляет собой объединение нескольких различ-
ных кристаллов цифровой логики, памяти, интерфейсных компонентов, пассив-
ных компонентов, фильтров, антенн в одном стандартном (или специально раз-
работанном) металлокерамическом или другом специальном корпусе.
Рассмотрены конкретные особенности проектирования СВК и СНК, приве-
дено сравнение их основных параметров и соответственно процессов их разра-
ботки. Так, например, показано, что стоимость реализации типового СНК проекта
в 7–10 раз больше, чем СВК, если время реализации СВК занимает от 6 до 9 меся-
цев, то процесс создания СНК – от 18 до 36 месяцев, причем если для создания
СВК требуется практически стандартный коллектив разработчиков, то для СНК
нужен уже численно больший специально подготовленный коллектив высоко-
квалифицированных инженеров, при этом отладка прототипа СВК занимает всего 1-2 месяца против 12–20 месяцев для СНК.
Отдельно рассмотрены особенности проектирования высокочастотных (RF)
модулей в составе СВК. Так, параметризованные ячейки (р-cells) для пассивных
устройств RF являются уже стандартным библиотечным компонентом в постав-
ленных на рынок средств САПР, но они не предусматривают обычно учет влия-
ния характеристик выбранного проектировщиком конкретного типа корпуса.
Опять же, на эскизном этапе проекта разработчик самостоятельно должен при-
нимать ряд нестандартных решений (например, стоит ли помещать требуемую
индуктивность на кристалл, где она занимает много полезной площади, или це-
лесообразно разместить ее на подложке, плате, элементе корпуса).
В рамках отдельного параграфа рассмотрены некоторые дополнительные осо-
бенности технологий глубокого субмикрона, которые также необходимо учиты-
вать в процессе проектирования специализированных микросхем для СНК и СВК.
В частности, это касается учета влияния дестабилизирующих факторов на быст-
родействие цифровых микросхем с помощью средств САПР. Так, для проектов с
использованием технологических норм больше 0,25 мкм, включающих до милли-
она вентилей, можно не учитывать влияние технологических флуктуаций и им-
пульсных помех на выходные параметры цифровых микросхем. Однако уже для
0,18 мкм отклонения реальных значений динамических параметров от расчетных
весьма существенны. Максимальные значения импульсных помех в цепях пита-
ния могут достигать десятков процентов, причем наибольшую амплитуду имеют
составляющие с частотами от 30 до 300 МГц (а именно это частоты обычно ис-
пользуются для внутренней синхронизации кристаллов).
Показано, что если для 0,25 мкм проектных норм при расчете динамических
параметров обычно достаточно учитывать только емкости проводников межсое-
динений, то при 0,18 мкм необходимо учитывать уже и омические сопротивления
линий связи, а при нормах 90 нм – еще и индуктивности, паразитные резисторы,
что в итоге многократно увеличивает время расчетов.
Детально проанализированы особенности проектирования топологии крис-
таллов, предназначенных для использования в СНК и СВК, приведены конкрет-
ные рекомендации по минимизации последствий работы различных паразитных
эффектов. Например, для исключения «антенного» эффекта (в процессе плазмен-
ного травления и полировок на проводниках накапливается статический заряд,
который может вызвать пробой МОП-транзистора) рекомендуется вводить спе-
циальные ограничения на величину максимальной площади внутренней метал-
лизации соединительных шин. Для выравнивания плотности токов в проводни-
ках и уменьшения возникающих после химико-механической полировки термо-
механических повреждений рекомендовано использовать «фиктивные» элемен-
ты – фиктивные проводники в широких диэлектрических зазорах, фиктивные
диэлектрические зазоры рядом с «широкими» проводниками.
Последующие пять глав посвящены обобщению и анализу результатов исследо-
ваний преимущественно отечественных ученых и специалистов в области защиты
бортовой аппаратуры космических летательных аппаратов и используемой ЭКБ КН
от различного рада деструктивных факторов открытого космического пространства.
Если проблемы воздействия радиации и методы повышения радиационной стой-
кости ЭКБ достаточно подробно рассматривались в ряде предшествующих глав, то
нижеследующие главы посвящены в основном конкретным проблемам защиты
бортовой аппаратуры и ЭКБ от влияния электромагнитного излучения и высоко-
скоростных потоков микрочастиц, или в более общем виде – защиты от воздей-
ствия импульсных высокоэнергетических потоков вещества и излучений.
Известно, что в космическом пространстве находится большое количество кос-
мического мусора, микрометеоритов, «сгустков» микрочастиц так называемой «кос-
мической пыли» и других объектов микро- и макроуровня. Например, плотность
этой космической пыли в околоземном пространстве составляет 3 · 10–29 кг/м3 (на
Землю оседает примерно 400 тонн пыли в сутки).
Космическая пыль образуется частицами диаметром от нескольких микрон
до одного миллиметра (основная масса имеет размеры от 1 до 100 мкм), отдель-
ные из которых движутся со скоростями от 1 до 10 тыс. км/с.
Долгое время соударения таких сгустков микрочастиц с металлическими кон-
струкциями космических аппаратов рассматривались лишь с классической пози-
ции эрозии внешней поверхности. Однако по мере накопления информации о
причинах отказа бортовых систем и КА стало очевидно, что такой подход не соот-
ветствует реально протекающим в космосе процессам. В основе сложных процес-
сов, происходящих при ударе частиц о корпус КА и отдельные элементы его кон-
струкции, лежит механизм образования плазмы, которая может индуцировать в
электронных устройствах значительные «наведенные» импульсные токи, наруша-
ющие нормальную работу бортовых систем вплоть до их выхода из строя.
Поэтому задача защиты конструкций и отдельных элементов КА с длитель-
ным сроком существования, космических орбитальных и особенно межпланет-
ных станций от воздействия потоков микрочастиц является весьма актуальной.
Глава 12 посвящена проблемам получения соответствующих специальных ма-
териалов для защиты микросхем и блоков бортовой аппаратуры от воздействия
этих высокоскоростных потоков микрочастиц и несанкционированных электро-
магнитных излучений.
Детально рассмотрены физические механизмы и особенности взаимодействия
этих потоков микрочастиц с физической преградой (корпус КА, корпус микро-
схемы), их влияние на изменение структуры и свойств материалов, подвергшихся
такому воздействию. В частности, исследованы механизмы влияния границ раз-
дела в многослойных материалах на проникающую способность микрочастиц,
рассмотрены особенности получения специальных многослойных материалов,
корпусов, предназначенных для защиты кристаллов микросхем от проникающе-
го воздействия этих микрочастиц и электромагнитного излучения.
Остальные параграфы этой главы посвящены анализу известных радиопоглоща-
ющих материалов, в том числе и многослойных, применяемых для защиты от элект-
ромагнитного излучения, а также анализу физических механизмов процессов погло-
щения и отражения электромагнитного излучения многослойными материалами.
Глава 13 посвящена описанию конкретных методик и типов оборудования, ис-
пользуемого для проведения экспериментальных исследований процессов взаимо-
действия высокоскоростных потоков микрочастиц с различными материалами.
В первом параграфе обоснован выбор в качестве основных материалов для
исследований порошков SiC и Al2O3 с размером 50–100 мкм, а в качестве объек-
тов исследований, применяемых в бортовой аппаратуре и требующих защиты,
использовались микросхемы в металлокерамическом и пластмассовом корпусах
(они же выполняли роль тестовых объектов и детекторов). Представлено описа-
ние методик выбора матричных материалов и наполнителей, которые восприни-
мали основную долю нагрузки в композиционных материалах.
Подробно рассмотрены комплексная методика и оборудование для испыта-
ний. В частности, для разгона частиц до скоростей 1–3 км/с применялись специ-
альные взрывные ускорители, основанные на кумуляции энергии взрывчатых ве-
ществ (насыпной аммоний марки 6ЖВ).
При разработке методик измерений электромагнитного излучения, возника-
ющего при взаимодействии микрочастиц с преградой, для количественной оцен-
ки магнитодинамических процессов использовался эффект Холла.
В основе методик измерения и регистрации ионизирующих излучений, воз-
никающих при высокоскоростном соударении частиц космической пыли с защит-
ными элементами КА, использовалась в качестве основного материала рентгено-
вская пленка с чувствительностью 850 Р–1 по критерию 0,85 под вуалью.
Представленная в главе методика исследования структуры и свойств матери-
алов после воздействия на них высокоскоростного потока микрочастиц базиру-
ются на использовании стандартного комплекта оборудования для проведения
металлографического анализа, сканирующей электронной микроскопии, рент-
геноспектрального микроанализа, а также оборудования просвечивающей элект-
ронной микроскопии.
Детально рассмотрены результаты рентгеноструктурного анализа происходя-
щих деформационных процессов, описана детализированная методика и особен-
ности измерения основных электрофизических параметров как самих испытыва-
емых микросхем, так и вышеперечисленных композиционных материалов.
В главе 14 представлены экспериментальные результаты исследования влия-
ния воздействия высокоскоростных потоков микрочастиц на механические и элек-
трофизические свойства защитных материалов, детализированные методики про-
ведения которых были рассмотрены в предыдущей главе. Результаты эксперимен-
тальных исследований представлены в виде таблиц, графиков, фотографий, со-
провождаемых соответствующими описаниям, комментариями.
Необходимость такого представления материала обусловлена тем фактом, что,
к сожалению, до сих пор наличие вышеописанного механизма влияния воздей-
ствия микроразмерных частиц «космической пыли» на материалы и приборы вы-
зывает неординарную реакцию экспертов и иногда подвергается сомнению. Ис-
пользуя методики, перечень оборудования, указанный в предыдущей главе, лю-
бой исследователь может повторить эксперименты и убедится в существовании
эффекта, чтобы в последующем направить свои изыскания на поиск путей и спо-
собов защиты от его последствий.
Например, при исследовании электромагнитных излучений были зарегист-
рированы спектры излучения амплитудой от 100 мВ до 1,5 В при длительности
импульса (5–12) ⋅ 10–6 с на расстоянии всего 15 см от эпицентра взрыва. В момент
взрывов продукты сдетонировавших взрывчатых веществ представляли собой
смесь газообразных и конденсированных веществ при давлении 20–40 ГПа и тем-
пературе 3000–5000 К, а ведь подобные состояния, как известно, типичны для
низкотемпературной неидеальной многокомпонентной и многообразной плаз-
мы с низкой концентрацией заряженных частиц, которые также участвуют в фор-
мировании деструктивного для физической преграды потока.
Представлены фотографии видов отдельных дефектов и треков, наблюдаемые
также на поверхностях исследуемых кремниевых пластин и кристаллов при ско-
ростях потока частиц в диапазоне 1,2–1,5 км/с.
Отдельный параграф посвящен теоретическим и практическим особенностям
проведения моделирования процессов создания потоков таких микрочастиц и их
взаимодействию с корпусами КА и отдельных микросхем.
Показано, что основные повреждения в микросхемах – «механические» по-
вреждения в виде разрывов и сколов (в местах проволочных соединений, метал-
лизированных шин питания, контактных площадок), а также впервые зафикси-
рованные оригинальные дефекты – в местах повреждения наблюдаются зоны ло-
кально разогрева высокой интенсивности, которые в ряде случаев приводят воз-
никновению и росту в этих местах новых кристаллических образований из
полупроводникового материала поврежденного кристалла (представлен ряд фо-
тографий).
Длительное время исследователям не удавалось определить численные харак-
теристики энергии генерации электромагнитного поля и потоков высокоэнерге-
тических ионов, необходимой для выброса струй плотной плазмы из объема пре-
грады, поскольку длительность процесса не превышает 10–3 с, а в рамках теории
обычного «классического» механического удара, как известно, не возникает ис-
точник дополнительной энергии. Поэтому в последнем параграфе главы деталь-
но рассмотрены особенности процесса генерации такого электромагнитного поля,
суть которого можно кратко описать следующим образом – на первой стадии раз-
вития процесса электромагнитное поле формируется при движении частиц внут-
ри твердого тела, при котором имеет место «классический» механизм трения –
с потерей массы и возникновением в материале электрически заряженных час-
тиц. Движение миллионов этих частиц инициирует возникновение соответству-
ющих электромагнитных полей. Пульсация внутри таких «солитонов» высокого
давления приводит к эквивалентному физическому эффекту пульсаций плотной
плазмы внутри преграды, а уже сопутствующие ударно-волновые процессы пере-
мещают в металлах обобществленные электроны.
Глава 15 посвящена анализу качественных и количественных изменений струк-
туры и свойств одно- и многослойных защитных материалов при воздействии на
них высокоскоростных потоков микрочастиц. Представлены результаты анализа
таких изменений в структурах однослойных материалов (металлов, полимерных
материалов). Вначале рассмотрены изменения вольт-амперных характеристик
стандартных («незащищенных») микросхем серийного производства, а затем пред-
ставлены и проанализированы соответствующие изменения вольт-амперных ха-
рактеристик микросхем, конструктивно оформленных в корпусах из «защитно-
го» многослойного материала.
Поскольку в конструкциях КА широко применяются такие материалы, как
алюминий, титан и их сплавы, приведены результаты исследований воздействия
частиц SiC на микроструктуру образцов из алюминия.
В главе 16 более детально рассмотрены конкретные особенности и последова-
тельность операций технологического процесса изготовления многослойных за-
щитных материалов для корпусов микросхем КН, устойчивых к эффекту сверх-
глубокого проникновения высокоскоростных микрочастиц.
Сформированы основные требования к таким материалам, описаны основ-
ные этапы технологического процесса получения многослойных материалов для
корпусов ИМС. Описаны особенности влияния размера частиц наполнителя на
свойства материалов, особенности формирования макро- и микроструктуры этих
многослойных материалов, представлены конкретные данные о механических и
электрофизических свойствах материалов и экранирующих свойствах многослой-
ных корпусов.
В главе 17 рассмотрены основные методы отбраковки в серийном производ-
стве микросхем со скрытыми дефектами. Представленные методы позволяют раз-
работчикам электронных устройств повышать надежность, в случае невозможно-
сти получения требуемых типономиналов иностранной ЭКБ категории Space или
Industry использовать для комплектации прототипа устройства отечественные
микросхемы двойного или специального назначения, но прошедших комплекс
дополнительных испытаний в соответствии с рассмотренными методами. Это
относится к использованию специальных статистических подходов (коэффици-
енты чувствительности выходных параметров, границы области работоспособно-
сти), моделей математической обработки результатов форсированных испытаний,
определению потенциально ненадежных микросхем с использованием принуди-
тельного электростатического разряда, специальных режимов процедуры термо-
тренировки, специальных критериев отбраковки по величине динамического на-
пряжения и др.
В главе 18 рассмотрен типовой состав библиотек дизайн-китов (Process Design
Kits (PDK) и особенности их применения при проектировании микросхем с суб-
микронными проектными нормами. Рассмотрены структура стандартного РDК
и процесс разработки нового (в случае такой необходимости). При проектирова-
нии субмикронных ИМС важной особенностью является необходимость учета и
глубокого анализа особенностей используемого технологического процесса при
проведении компьютерного моделирования проектируемой ИМС.
Описаны необходимые правила стандартизации РDК, порядок и особеннос-
ти проектирования смешанных аналогово-цифровых микросхем, приведены опи-
сание информационной модели их проектирования, а также способы определе-
ния состава библиотек проектирования и перечня элементов, требующие стан-
дартизация.
Основной раздел главы посвящен детальному описанию важных для практи-
ческого применения особенностей цифровых библиотек проектирования заказ-
ных ИМС с субмикронными и «глубокосубмикронными» технологическими но-
мами.
Изложение материала сопровождается анализом конкретных демонстраци-
онных примеров (модели источников тока, схемы сдвига уровня, управления пи-
танием, библиотеки схем ввода-вывода и т.п.).
В конце главы приводится описание открытого учебного (Educational Design
Kit) РDК компании SYNOPSYS, а также состав учебных РDК, представляемых
известным международным центром микроэлектроники IMEC.
Глава 19 посвящена «некремниевой» микроэлектронике – арсениду галлия,
нитриду галлия. В силу ограниченного объема книги здесь в рамках одной главы
приведена основная информация о свойствах этих полупроводниковых материа-
лов, приведены основные особенности технологии и конструкции современных
высокочастотных транзисторов и микросхем на их основе. Рассмотрены основ-
ные сферы применения СВЧ ИМС, в том числе для построения фазированных
антенных решеток. Дан краткий обзор отечественных предприятий и их достиже-
ний в области СВЧ-техники.
Последняя глава – глава 20 носит в определенной степени полемический ха-
рактер. Она в основном предназначена не техническим специалистам (хотя будет,
безусловно, интересна и им), а менеджерам, руководителям предприятий косми-
ческой и оборонной промышленности, руководителям федеральных и государ-
ственных органов, имеющих отношение к разработке и реализации государствен-
ной и ведомственной политики в отношении вышеуказанных отраслей.
В этой главе изложены результаты исследований авторами возможных путей
решения острой проблемы обеспечения этих приоритетных для государства от-
раслей ЭКБ с гарантированной надежностью и в требуемых для поступательного
развития объемах.
В начале главы авторы на конкретном примере из собственного опыта попы-
тались развеять активно обсуждаемый современными средствами массовой ин-
формации миф о недееспособности отечественных разработчиков РЭА КН.
В качестве этого примера изложена история создания РЛС ФАР «Волга», где
секретным решением ЦК КПСС и Правительства СССР предписывалось создать
станцию на основе собственных оригинальных алгоритмов обработки информа-
ции и только с использованием отечественной ЭКБ. Тогда специалисты НИИ ДАР
совместно с НИИ ЦЭВТ (г. Москва) разработали алгоритмы и технические зада-
ния на ЭКБ, для реализации которых в этот момент в СССР не было даже соответ-
ствующей интегральной технологии. Но поскольку было принято политическое
решение, их новые технологии и новые, не имеющие зарубежных аналогов, мик-
росхемы были разработаны и освоены в серийном производстве НПО «Интеграл»
(параллельно решена задача унификации – вместо 200 ИМС все функции были
реализованы на 7-ми ИМС).
Проведен анализ возможных источников стабильного получения современной
ЭКБ для космических и военных применений – отечественные, США, Европа и
Китай. В результате простого статистического анализа показано, что в настоящее
время и в ближайшем будущем отечественная полупроводниковая промышленность
не в состоянии удовлетворить в требуемом объеме как текущие, так и возрастаю-
щие перспективные потребности РКП и СВ и ВТ в ЭКБ, а поставка иностранной
ЭКБ из США и Европы будет проблематичной как по ряду чисто технических воп-
росов, так и по соображениям геополитического характера. В этой связи в рамках
отдельного параграфа представлены в сжатом виде результаты анализа состояния и
динамики государственных инвестиций, производственных возможностей и ресур-
сов разрабатывающих дизайн-центров Китая, который, по мнению авторов, должен
стать в ближайшей и среднесрочной перспективе стратегическим партнером Рос-
сии в области совместного производства и поставок ЭКБ для приоритетных от-
раслей отечественной промышленности – по объемам ежегодных финансовых
инвестиций и по их нарастающей динамике, по количеству крупных серийных про-
изводственных линий полупроводниковых фабрик (в Китае – больше 170, в СНГ
только три – «Микрон» и «Ангстрем» в Зеленограде и «ИНТЕГРАЛ» в Минске), по
количеству разрабатывающих дизайн-центров (в РФ – больше 30-ти, в КНР – бо-
лее 370-ти). Сравнение не в пользу отечественной полупроводниковой отрасли.
В области освоения космоса Китай проходил в анализируемый период времени все
этапы быстрее РФ – то, на что в СССР (РФ) уходило 4-5 лет, Китай преодолевал за
год-полтора, а его последние разработки КА уже далеко не копии советских (рос-
сийских) КА.
Частота отказов и аварий китайских КА почти в два раза меньше отечествен-
ных и имеет стойкую тенденцию к снижению, чего нельзя сказать в отношении
российских запусков.
20 лет назад США полностью запретили поставки ЭКБ КН в Китай (в отли-
чие от РФ), что послужило стимулом развития оригинальной китайской ЭКБ КН,
у которой пока еще много проблемных вопросов, о которых говорится в одном из
параграфов этой главы.
В качестве альтернативы закупкам ЭКБ с Запада в этой главе читателю пред-
лагается обсудить два варианта (кроме стратегического альянса с китайской по-
лупроводниковой промышленностью).
Первый вариант – «лобовое решение» – создание в России специализиро-
ванного (только под задачи РКП и ОПК) научно-производственного полупро-
водникового кластера в составе крупного интегрирующего центра системного
проектирования и двух полупроводниковых фабрик – кремниевой и арсенид-гал-
лиевой (включая опции «нитрид-галлия»).
Второй вариант – создание целой сети небольших мелкосерийных кластеров
на основе методов бесшаблонной литографии, которые будут располагаться не-
посредственно на предприятиях-разработчиках РЭА стратегического назначения,
обеспечивая независимость отрасли от поставок иностранной (в перспективе – и
китайской) ЭКБ. Включая материалы главы в эту книгу, авторы преследовали только
одну цель – активизировать полемику в среде технических специалистов, экс-
пертов, руководителей профильных предприятий РКП и ОПК, чиновников соот-
ветствующих министерств, ведомств по поиску путей обеспечения приоритетных
отраслей промышленности и оборонного комплекса качественной, надежной и
сложнофункциональной ЭКБ.
Перечень условных обозначений
АЛУ – арифметико-логическое устройство
АФТ – алгоритмические функциональные тесты
БАКА – бортовая аппаратура космических аппаратов
БиКМОП БИС – большая интегральная схема на основе биполярных транзис-
торов и комплементарных МОП-транзисторов
БИС – большая интегральная схема
БЛЭ – базовый логический элемент
БПС – быстрые поверхностные состояния
БПФ – быстрое преобразование Фурье
БЦВМ – бортовая цифровая вычислительная машина
БЭ – базовые элементы
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВПР – время потери работоспособности
ВФХ – вольт-фарадная характеристика
ДЗЗ – дистанционное зондирование Земли
ДМ – диэлектрик-металл
ДП – диэлектрик-полупроводник
ДЦ – дизайн-центр
ЗУ – запоминающее устройство
ИИ – ионизирующее излучение
ИИИ – импульсное ионизирующее излучение
И2Л – интегральная инжекционная логика
ИКН – интегральные компараторы напряжений
ИМС – интегральная микросхема
ИОУ – интегральные операционные усилители
ИСЗ – искусственный спутник Земли
КА – космический аппарат
КЛА – космический летательный аппарат
КМОП ИМС – интегральная микросхема на комплементарных МОП-транзис-
торах
КН – компараторы напряжений
КНИ – «кремний-на-изоляторе»
КНС – «кремний-на-сапфире»
КО – катастрофические отказы
ЛЭ – логический элемент
МДП – металл-диэлектрик-полупроводник
МКС – межпланетная космическая станция
МНОП – металл-нитрид-окисел-полупроводник
МОП – металл-окисел-полупроводник
МОПТ – МОП-транзистор
ННЗ – неосновные носители заряда
НПО – научно-производственное объединение
НТЦ – научно-технический центр
Перечень условных обозначений 31
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ОУ – операционные усилители
ПЗС – микросхема на основе использования поверхностных зарядо-
вых состояний
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ППЗУ – постоянное программируемое ЗУ
ПС – поверхностные состояния
РД – радиационные дефекты
РН – ракета-носитель
РПЗУ – репрограммируемое ПЗУ
РС – радиационная стойкость
РЭА – радиоэлектронная аппаратура
СА – спускаемый аппарат
СБИС – сверхбольшая интегральная схема
СВВФ – специальные внешние воздействующие факторы
СЖР – сверхжесткое рентгеновское (излучение)
СИИ – стационарное ионизирующее излучение
СН – стабилизаторы напряжения
СОЗУ – статическое оперативное запоминающее устройство
ТКН – температурный коэффициент напряжения
ТНЧ – тяжелые незаряжанные частицы
ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика
ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки
ТУ – технические условия
ТЭ – тиристорный эффект
УБР – уровень бессбойной работы
УСИ – уровень сохранности информации
УФО – уровень функционального отказа
ФК – функциональный контроль
ЭЗ – элементы защиты
ЭКБ – элементно-компонентная база
ЭМИ – электромагнитное излучение
ЭНПО – экспериментальное научно-производственное объединение
ЭП – элементы памяти
ЭС – элементы согласования
ЭСЗ – электростатический заряд
ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика
ЭСП – эффект сверхглубокого проникновения
ЭСППЗУ – электрически стираемое программируемое постоянное запоми-
нающее устройство (EEPROM – Electrically Erasable Programmable
Read Only Memory)
ЭСР – электростатический заряд
ЭТТ – электротермотренировка
ЯП – ячейка памяти
ГЛАВА 1
СОВРЕМЕННЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
1.1. Основные направления развития
космической промышленности
В настоящее время космические технологии так широко вошли в современную
жизнь человечества, что отказ от них отбросил бы развитие цивилизации далеко
назад, поскольку только с использованием возможностей космической отрасли
возможно решение задач развития как современного индустриального общества
в целом, так и отдельного суверенного и индустриально развитого государства.
Главной целью государственной политики в области развития космической
промышленности любой современной страны в конечном счете является выход
этой страны на качественно новый уровень науки, технологий и промышленных
возможностей. Прежде всего – это защита государственных, научных и экономи-
ческих интересов страны в области космической деятельности; укрепление обо-
роны и безопасности государства; укрепление кадрового потенциала промышлен-
ности; разработка современных и перспективных отечественных космических
средств, приборов, стратегических материалов, средств связи и управления; на-
копление и совершенствование научных знаний о Земле, Вселенной и космичес-
ком пространстве, расширение международной космической кооперации в деле
совместных научных исследований и освоения космоса и многое другое.
Говоря прагматичным языком, приобретение страной статуса космической
державы должно принести конкретную пользу и материальную выгоду социаль-
но-экономическому развитию страны.
Кроме очевидных задач обеспечения обороны, национальной безопасности
(космическая разведка, космическая связь и управление, системы раннего обна-
ружения пусков баллистических ракет) и технологической независимости только
использование космических технологий может обеспечить государству решение
многообразных народнохозяйственных и технических задач в следующих сферах:
• глобальная многоканальная связь;
• многопрограммные радио- и телевещание;
• высокоточная оперативная навигация всех транспортных и других объектов;
• достоверное метеорологическое обеспечение;
• оповещение о чрезвычайных ситуациях;
• экологический мониторинг;
• глобальное оперативное спасение;
• изучение природных ресурсов – дистанционный поиск полезных ископаемых;
• новейшие высокие технологии и материалы;
• расширение знаний о Вселенной;
• медико-биологические исследования
Реализация наиболее насущных потребностей каждого государства в этих сферах
в настоящее время осуществляется в рамках национальных космических программ,
направленных на создание перспективной космической техники и технологий.
В то же время в мире наблюдается тенденция интеграции космических средств
и технологий различных стран с целью обеспечения более эффективного исполь-
зования выделяемых национальными бюджетами весьма значительных бюджет-
ных финансовых средств, необходимых для развития КП, что позволяет ускорить
развитие и совместное использование их космического потенциала в интересах
решения социально-экономических, оборонных и научных задач, стоящих перед
этими странами. Необходимость и актуальность такой интеграции средств и тех-
нологий подтверждается общими потребностями стран в:
• обеспечении потребителей недорогой качественной космической инфор-
мацией дистанционного зондирования Земли, в том числе с использовани-
ем центров предоставления космических услуг;
• развитии международного сотрудничества в области создания и совмест-
ного использования космического потенциала;
• создании устойчивой кооперации предприятий и организаций по разработке
перспективных космических средств и технологий, включая микро- и на-
нотехнологии.
В качестве примера практической реализации таких интеграционных процес-
сов в научно-технологической и производственной сферах на постсоветском про-
странстве следует отметить успешную реализацию по космической тематике ряда
совместных программ Союзного государства Российской федерации и Республи-
ки Беларусь [1–3].
Первой стала запущенная в 1998 году программа «Разработка и использова-
ние космических средств и технологий получения, обработки и отображения кос-
мической информации» («Космос-БР»), одной из задач которой, помимо соб-
ственно реализации заданий программы, было восстановление разорванных с
распадом СССР научно-производственных связей между предприятиями и орга-
низациями космической отрасли двух государств.
Продолжением «Космос-БР» стала вторая совместная программа «Разработ-
ка и исследование перспективных космических средств и технологий в интересах
социально-экономического развития Союзного государства» на 2004–2007 годы
(«Космос-СГ»), в результате реализации которой белорусские и российские парт-
неры создали современный технический комплекс приемной космической ин-
формации системы дистанционного зондирования Земли, целый ряд современ-
ных технических и программных средств и технологии обработки и дешифровки
космических снимков, мобильный образец контрольно-корректирующей стан-
ции для высокоточного определения координат и многое другое.
В 2011 году завершилась реализация третьей российско-белорусской програм-
мы «Разработка базовых элементов, технологий создания и применения орбиталь-
ных и наземных средств многофункциональной космической системы» на 2008–
2011 годы («Космос-НТ»). В ее рамках были созданы более чем 25 эксперимен-
тальных образцов космических средств и 18 экспериментальных наукоемких тех-
нологий в интересах космической отрасли Беларуси и России.
Завершена также совместная программа «Разработка нанотехнологий созда-
ния материалов, устройств и систем космической техники и их адаптация к дру-
гим отраслям техники и массовому производству» на 2009–2012 годы («Нанотех-
нология-СГ»).
Актуальность полученных результатов обусловлена необходимостью повыше-
ния устойчивости космических средств к факторам космического пространства,
потребностью в снижении их массогабаритных характеристик и удешевлении
производства элементной базы для применения в космической, а также в других
отраслях техники.
Необходимо в этой связи отметить только два важнейших направления даль-
нейшего российско-белорусского сотрудничества в сфере космических техноло-
гий и их применений.
Прежде всего, это разработка космических и наземных средств обеспечения
потребителей России и Беларуси информацией дистанционного зондирования
Земли, а также создание соответствующих центров предоставления космических
услуг. Эта задача занимает наиболее важную роль в интеграции космических
средств и технологий России и Беларуси. В ходе ее реализации будут обеспечены
возможности получения доступной и качественной космической информации
широким кругом потребителей, создание средств, технологий и программных
комплексов в интересах повышения надежности, работоспособности и живучес-
ти космических средств дистанционного зондирования Земли.
Второе направление относится к совместной разработке комплексных техно-
логий создания материалов, устройств и ключевых элементов космических
средств, целью которого является достижение существенного снижения массы и
габаритов КА, а также повышение надежности и сроков функционирования эле-
ментов, устройств и систем ракетно-космической техники, сокращение затрат на
их разработку и эксплуатацию.
В частности, это позволит создать и освоить в космической промышленности
комплексные технологии создания широкой номенклатуры элементов ракетно-
космической техники с повышенными эксплуатационными характеристиками, в
том числе:
• системы терморегулирования и электропитания;
• бортовые комплексы управления;
• широкую номенклатуру унифицированной ЭКБ КН;
• специальные узлы и элементы малогабаритных космических аппаратов;
• высоконадежные теплонапряженные узлы двигательных установок;
• наноэлектронные устройства сверхнизкого энергопотребления;
• функциональные наноструктурные сенсоры различного назначения и мно-
гое другое, что позволит повысить функциональные характеристики кос-
мических средств и их надежность в период ввода в строй и эксплуатации.
За последнее десятилетие в производстве российской ракетно-космической
техники произошли существенные изменения. Резко сократился объем производ-
ства, ряд серийных изделий сняты с производства, одновременно идет процесс
освоения новых высокотехнологичных изделий. При этом РКП в основном со-
хранила существовавшие ранее организационно-технологическую структуру пред-
приятий, парк технологического оборудования и оснащения, принципы техно-
логической подготовки производства.
Государственная политика по развитию и технологической модернизации ра-
кетно-космической промышленности России реализуется в соответствии со
«Стратегией развития ракетно-космической промышленности на период до
2015 года» по следующим целевым программам [4, 5, 6]:
• Федеральная космическая программа России на 2006–2015 годы (ФКПР-2015);
• ФЦП «Глобальная навигационная система» на 2002–2011 годы (ФЦП
«ГЛОНАСС»);
• ФЦП «Развитие оборонно-промышленного комплекса РФ на 2007–2010
годы и на период до 2015 года» (ФЦП «Развитие ОПК-2015»);
• ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы, а также в
проектах:
• ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии РФ» на 2007–2010 годы;
• ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на
2008–2015 годы.
Следует отметить, что успех любых космических, в том числе и военных про-
грамм напрямую зависит от номенклатуры, функциональных возможностей и
качества элементной базы, составляющей основу любой современной аппарату-
ры как общего, так и специального назначения.
Космическая микроэлектроника как самостоятельное направление научно-
технического процесса включает в себя целый комплекс взаимосвязанных направ-
лений – от исследований свойств новых материалов и физических механизмов
применения параметров микросхем в условиях их работы в космосе, до разработ-
ки новых технологий и методов проектирования микросхем, специальных мето-
дов повышения их помехоустойчивости, надежности, устойчивости к ионизиру-
ющим воздействиям, снижения статического и динамического энергопотребле-
ния при существенном возрастании как плотности упаковки кристаллов, так и их
рабочих (тактовых) частот.
Приоритетными направлениями государственной политики РФ в этой обла-
сти являются следующие.
1. Создание космических комплексов и систем нового поколения с технически-
ми характеристиками, обеспечивающими их высокую конкурентоспособность на
мировом рынке, в том числе:
• развитие современных средств выведения, модернизация действующих ра-
кет-носителей и разработка новых ракет-носителей и разгонных блоков;
• создание ракеты-носителя среднего класса для выведения пилотируемого
космического корабля нового поколения, космических спутников с увели-
ченным сроком активного существования;
• подготовка к реализации прорывных проектов в области космических тех-
нологий и исследований космического пространства.
2. Завершение создания и развитие системы ГЛОНАСС, в частности:
• развертывание спутниковой группировки на базе аппаратов нового поко-
ления с длительным сроком активного существования (не менее 12 лет) и
повышенными техническими характеристиками;
36 Глава 1. Современные космические аппараты
• создание наземного комплекса управления и создание оборудования для
конечных пользователей, его продвижение на мировой рынок, обеспече-
ние сопряженности аппаратуры ГЛОНАСС и GPS.
3. Развитие спутниковой группировки, в том числе создание группировки спут-
ников связи, обеспечивающих рост использования всех видов связи – фиксиро-
ванной, подвижной, персональной (на всей территории Российской Федерации);
создание группировки метеорологических спутников, способных передавать ин-
формацию в реальном масштабе времени.
В долгосрочной перспективе интересы поддержания высокой конкурентос-
пособности на рынке передачи информации потребуют качественного скачка в
повышения интервала «конкурентного существования» спутников связи. Это
может быть достигнуто только путем создания технологий производства «много-
разовых» спутников связи, т.е. таких, которые будут изначально проектироваться
и создаваться с возможностью их обслуживания, заправки ракетным топливом,
ремонта и модернизации непосредственно на орбите. В итоге такого технологи-
ческого развития планируется появление к 2025 году массивных орбитальных
платформ, на которых будет размещаться различная целевая аппаратура и дру-
гое оборудование, в том числе энергетическое, допускающее обслуживание или
замену.
4. Расширение присутствия России на мировом космическом рынке, в том числе:
• удержание лидирующих позиций на традиционных рынках космических
услуг (коммерческие пуски – до 30%);
• расширение присутствия на рынке производства коммерческих космичес-
ких аппаратов;
• расширение продвижения на внешние рынки отдельных компонент ракет-
но-космической техники и соответствующих технологий;
• выход на высокотехнологические сектора мирового рынка (производство
наземной аппаратуры спутниковой связи и навигации, дистанционное зон-
дирование земли);
• создание и модернизация системы российского сегмента международной
космической станции (МКС).
5. Модернизация наземной космической инфраструктуры и технологического
уровня ракетно-космической промышленности, в частности:
• техническое и технологическое перевооружение предприятий отрасли, вне-
дрение новых технологий, оптимизация технологической структуры отрасли;
• развитие системы космодромов, оснащение новым оборудованием назем-
ных средств управления, систем связи, экспериментальной и производ-
ственной базы ракетно-космической промышленности.
Государственной программой развития ракетно-космического комплекса РФ
на период до 2025 г. предусмотрено первоочередное развитие следующих техно-
логических направлений:
• космические системы навигации;
• космические системы ретрансляции информации;
• гидрометеорологические космические средства;
• космические средства дистанционного зондирования Земли;
• спутниковые системы связи и вещания;
• космические средства геодезического и картографического обеспечения;
• космические средства связи и боевого управления;
• космические средства предупреждения о ракетном нападении;
• космические средства радиоэлектронной разведки;
• космические комплексы оптикоэлектронного наблюдения;
• космические средства многоцелевого радиолокационного наблюдения;
• космические средства наблюдения за морскими акваториями.
Решение одной из основных проблем, оказывающих негативное влияние на
реализацию программ развития отечественной ракетно-космической техники, ее
обеспечение современной радиационно-стойкой электронной компонентной ба-
зой предусматривается за счет реализации (при координирующей роли Минпром-
торга России) мероприятий в рамках федеральной целевой программы по разви-
тию радиоэлектронной промышленности.
Независимый доступ в космическое пространство предусматривается обес-
печить за счет развития и использования космодрома «Плесецк», аренды космод-
рома «Байконур» и строительства нового отечественного космодрома «Восточ-
ный», создаваемого во исполнение Указа Президента Российской Федерации от 6
ноября 2007 г. «О космодроме «Восточный».
В результате реализации государственной программы должны быть:
• создан и принят в эксплуатацию космический ракетный комплекс «Анга-
ра-А5», модернизированы объекты и обеспечена эффективная эксплуата-
ция космодромов «Плесецк» и «Байконур»;
• созданы первая (2015 год) и вторая (2018 год) очереди объектов нового рос-
сийского космодрома «Восточный»;
• развернута орбитальная группировка космических аппаратов в интересах
удовлетворения государственных нужд в количестве: 95 космических аппа-
ратов в 2015 году, 113 космических аппаратов в 2020 году, в том числе раз-
вернутый российский сегмент Международной космической станции в со-
ставе 6 модулей – в 2015 году, 7 модулей в 2018 году;
• обеспечен необходимый состав орбитальной группировки системы ГЛО-
НАСС, обновленный космическими аппаратами «Глонасс-К» с расширен-
ными функциональными возможностями. К 2015 году система будет обес-
печивать точность определения местоположения потребителями порядка
1,4 м, а к 2020 году – около 0,6 м;
• создан научно-технический задел по перспективным образцам ракетно-
космической техники, в том числе обеспечена в 2018 году готовность транс-
портно-энергетического модуля с перспективной двигательной установкой
к летно-конструкторским испытаниям;
• разработаны новые конкурентоспособные производственные технологии,
технологии спутниковой связи, дистанционного зондирования Земли, на-
вигационного обеспечения, поиска и спасания терпящих бедствие, мони-
торинга чрезвычайных ситуаций, слежения и мониторинга подвижных
объектов с использованием космической автоматической идентификаци-
онной системы и персональных радиобуев.
В области фундаментальных космических исследований будут реализованы
проекты, которые позволят преодолеть сложившееся отставание от ведущих кос-
мических держав в этой области и обеспечить выход российской науки на веду-
щие позиции в основных направлениях наук о космосе, а в долгосрочной перс-
пективе – стать одним из мировых лидеров в исследованиях Вселенной. В част-
ности, планируется:
• создание трех космических обсерваторий – «Спектр-УФ», «Спектр-М»
(«Миллиметрон») и «Гамма-400» для проведения исследований астрофизи-
ческих объектов в различных диапазонах электромагнитного спектра и гам-
ма-излучения в диапазоне высоких энергий;
• развертывание программы по углубленному изучению Луны – осуществле-
ние миссий орбитального аппарата «Луна-Глоб», посадочных аппаратов
«Луна-Ресурс» (этапы 1 и 2), а также миссии по доставке на Землю образ-
цов лунного грунта для детального изучения;
• развитие целого класса новых технологий – технологий межпланетных по-
летов и напланетной деятельности человека;
• создание перспективной пилотируемой транспортной системы, способной
обеспечить полеты человека к Луне.
К результатам государственной программы, способствующим расширению
спектра предоставляемых услуг к 2020 году, относятся:
в части космических средств связи, вещания и ретрансляции –
• создание полномасштабной многофункциональной космической системы
ретрансляции, что позволит повысить эффективность использования оте-
чественных низкоорбитальных космических аппаратов дистанционного
зондирования Земли, средств выведения и российского сегмента Между-
народной космической станции;
• наращивание орбитальной группировки систем фиксированной связи, под-
вижной президентской связи и телерадиовещания космическими аппара-
тами нового поколения до 39 аппаратов, что позволит осуществлять предо-
ставление указанных услуг связи практически на всей территории Россий-
ской Федерации, включая Арктический регион;
в части средств дистанционного зондирования Земли и гидрометеорологического
наблюдения –
• увеличение до 24 космических аппаратов орбитальной группировки за счет
развертывания принципиально новых космических систем, предназначен-
ных для решения задач картографии, контроля состояния природной сре-
ды, оперативного мониторинга чрезвычайных ситуаций, инвентаризации
природных ресурсов, обеспечения рационального ведения сельскохозяй-
ственной, водной и других видов деятельности, мониторинга Арктическо-
го региона.
Успешное выполнение мероприятий государственной программы будет спо-
собствовать развитию и использованию отечественной космической техники в
интересах социально-экономической сферы, расширению присутствия России на
мировом космическом рынке, решению амбициозных задач исследования и ос-
воения космического пространства, обеспечению гарантированного доступа Рос-
сии в космическое пространство со своей территории, сохранению ведущих по-
зиций в пилотируемых полетах [7].
1.2. Классификация современных космических аппаратов
Космический аппарат (КА) – общее название технических устройств, используе-
мых для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве, а также
проведения исследовательских и иного рода работ вблизи или на поверхности
различных небесных тел. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту
служат ракеты-носители или ракетоносители (РН).
Космический аппарат, одной из основных задач которого является транспор-
тировка людей или оборудования в верхней части земной атмосферы – так назы-
ваемом ближнем космосе, называют космическим кораблем (КК) или космичес-
ким летательным аппаратом (КЛА).
В зависимости от областей использования КА подразделяются на:
• суборбитальные;
• околоземные орбитальные, движущиеся по геоцентрическим орбитам ис-
кусственных спутников Земли;
• межпланетные (экспедиционные);
• напланетные (луноходы, марсоходы и пр.).
Принято различать автоматические спутники (ИСЗ) Земли и пилотируемые
космические аппараты. К пилотируемым космическим аппаратам, в частности,
относят все виды пилотируемых космических кораблей (КК) и орбитальных кос-
мических станций (ОС). Несмотря на то, что современные орбитальные станции
совершают свой полет в области ближнего космоса и формально могут называть-
ся космическими летательными аппаратами, в сложившейся традиции их назы-
вают космическими аппаратами.
Название «космический летательный аппарат» иногда также используется для
обозначения активных (то есть маневрирующих) ИСЗ с целью подчеркивания их
отличий от пассивных спутников. В большинстве же случаев значения терминов
«Космический летательный аппарат» и «космический аппарат» синонимичны и
взаимозаменяемы.
В активно исследуемых в последнее время проектах создания орбитально-ги-
перзвуковых летательных аппаратов как частей авиационно-космических систем
(АКС) часто используют еще названия «воздушно"космический аппарат» (ВКА),
обозначая космопланы и космолеты АКС, предназначенные для выполнения уп-
равляемого полета как в безвоздушном космическом пространстве, так и в плот-
ной атмосфере Земли.
В то время как стран, имеющих ИСЗ, несколько десятков, наиболее сложные
технологии автоматических возвращаемых и межпланетных КА освоили всего
несколько стран – СССР/Россия, США, Китай, Япония, Индия, Европа/ESA.
Пилотируемые КК имеют только первые три из них (кроме того, Япония и Евро-
па имеют КА, посещаемые людьми на орбите, в виде модулей и грузовиков МКС).
Также только первые три из них имеют технологии перехвата ИСЗ на орбите (хотя
Япония и Европа близки к ней ввиду проведения стыковок).
Еще типы КА различают в зависимости от их режимов работы, выполняемых
функций, по наличию функции возвращения на Землю, в зависимости от их мас-
сы, по типу управления, по типу двигательной установки, для ближнего или даль-
него космоса.
По режиму работы различают следующие типы космических аппаратов:
• искусственные спутники Земли – общее название всех аппаратов, находя-
щихся на геоцентрической орбите (вращающихся вокруг Земли);
• автоматические межпланетные станции (или космические зонды) – аппа-
раты, осуществляющие перелет между Землей и другими космическими
телами Солнечной системы; при этом они могут как выходить на орбиту
вокруг изучаемого тела, так и исследовать их с пролетных траекторий, не-
которые аппараты после этого направляются за пределы Солнечной сис-
темы;
• космические корабли, автоматические или пилотируемые, используются для
доставки грузов и человека на орбиту Земли; существуют планы полетов на
орбиты других планет;
• орбитальные станции – аппараты, предназначенные для долговременного
пребывания и работы людей на орбите Земли;
• спускаемые аппараты – используются для доставки людей и материалов с
орбиты вокруг планеты или межпланетной траектории на поверхность пла-
неты;
• планетоходы – автоматические лабораторные комплексы или транспорт-
ные средства, для перемещения по поверхности планеты и другого небес-
ного тела.
По наличию функции возвращения КА подразделяются на две группы:
• возвращаемые – предусматривают возвращения людей и материалов на
Землю, осуществляя мягкую либо жесткую посадку;
• невозвращаемые – при выработке ресурса обычно сходят с орбиты и сгора-
ют в атмосфере.
По выполняемым функциям выделяют следующие классы КА:
• метеорологические;
• навигационные;
• спутники связи, телевещания, телекоммуникационные спутники;
• научно-исследовательские;
• геофизические;
• геодезические;
• астрономические;
• дистанционного зондирования Земли;
• разведывательные и военные спутники;
• другие.
Следует отметить, что многие современные космические аппараты выполня-
ют сразу несколько функций.
По массовым характеристикам КА принято классифицировать следующим
образом:
• фемто- – до 100 г;
• пико- – до 1 кг;
• нано- – 1–10 кг;
• микро- – 10–100 кг;
• мини- – 100–500 кг;
• малые – 500–1000 кг;
• большие – более 1000 кг.
Следовательно, любой КА с весом больше 10 кг, но меньше 100 кг должен на-
зываться микроспутником, а КА с весом от 500 кг до одной тонны будет назы-
ваться малым космическим аппаратом.
По типу управления КА разделяют на автоматические и пилотируемые. По
типу используемых двигательных установок КА различают следующим образом:
КА с двигательными установками большой тяги, КУ с двигательными уста-
новками на ядерном топливе, КУ на двигательных установках на химическом (жид-
ком или твердом) топливе.
Различают КА по областям использования – ближнего и дальнего космоса.
КА для ближнего космоса: околоземные КА (ИСЗ, обсерватории, обитаемые
орбитальные станции). КА для дальнего космоса: межпланетные КА (спутники
планет, десантные, пролетные).
1.3. Конструкции и устройство
космических аппаратов
Первый в мире космический аппарат был запущен в СССР 4 октября 1957 г., пер-
вый пилотируемый космический аппарат-корабль «Восток-1» под управлением
гражданина СССР Ю.А. Гагарина – 12 апреля 1961 г. За прошедшие почти семь
десятилетий с момента первого космического старта (не считая двадцати преды-
дущих лет исследований и экспериментов) конструкции космических аппаратов
(КА) непрерывно совершенствовались. Значительный вклад в эволюцию конст-
рукций КА внесли так называемые «испытательные» космические аппараты, ко-
торые проектировались специально для проверки и отработки в реальных усло-
виях космического полета элементов конструкции, систем, узлов, агрегатов и бло-
ков, способов их оптимального применения, возможных путей их унификации.
Если в СССР в качестве автоматических испытательных КА широко использо-
вались различные модификации КА практически только одной серии «Космос», то
в США – целый ряд КА: «ATS», «GGTS», «0V», «Додж», «TTS», «SERT», «RW» и др.
Несмотря на большое многообразие конструкций КА, общим для всех уст-
ройств является наличие корпуса с набором различных конструктивных элемен-
тов (так называемое «обеспечивающее» оборудование) и специальная (целевая)
радиоэлектронная аппаратура [7].
Корпус КА является конструктивно-компоновочной основой для установки
и размещения всех его элементов и соответствующей аппаратуры. Например, для
автоматического КА обеспечивающее оборудование предусматривает наличие как
минимум следующих бортовых систем: ориентации и стабилизации, терморегу-
лирования, энергопитания, телеметрии, траекторных измерений, управления и
навигации, командно-программной, различных исполнительных органов и т.п.
На пилотируемых КА и космических станциях, кроме того, имеются системы
жизнеобеспечения, аварийного спасения и т.п.
В свою очередь, целевая аппаратура КА может быть оптической (оптико-элек-
тронной), фотографической, телевизионной, инфракрасной, радиолокационной,
радиотехнической, спектрометрической, рентгеновской, радиосвязи и ретранс-
ляции, радиотехнической, радиометрической, калориметрической и т.п. Более
детально описание этих систем приведено в следующем параграфе, но отметим,
что все эти системы (их структура, функции, конфигурация и т.п.), используют
самую современную ЭКБ.
Естественно, конфигурации КА зависят от их назначения и уже поэтому зна-
чительно различаются – это ракеты-носители (РН), осуществляющие выведение
КА на требуемые орбиты и траектории, разгонно-тормозные блоки КА, включа-
ющие маршевые и корректирующие двигатели, топливные отсеки, агрегаты и си-
стемы обслуживания (обеспечивают переход КА с низкой орбиты на более высо-
кую или межпланетную, осуществляют обратные переходы – с высокой орбиты
на низкую, коррекцию траекторных параметров и т.д.).
С конструкцией КА неразрывно связано понятие «компоновка» КА – наибо-
лее рациональное и максимально плотное пространственное размещение состав-
ляющих элементов. При этом различают внутреннюю и внешнюю (аэродинами-
ческую) компоновку КА [7].
Задача разработки конструкции конкретного КА является достаточно слож-
ной, поскольку необходимо учитывать очень много факторов, зачастую противо-
речащих друг другу. Например, необходимо обеспечивать минимальное количе-
ство связей КА с наземным комплексом (особенно это касается РН), безопас-
ность и комфортность экипажа (для пилотируемых КА), безопасную эксплуата-
цию и обслуживание на стартовой позиции и в полете, обеспечение заданных
параметров устойчивости, управляемости, тепловых режимов и аэродинамичес-
ких характеристик работы КА и многое другое [8, 9].
Задача конструкторов КА усложняется тем, что критерием оптимальности их
решения является не только минимизация массы КА, но и его стоимости и сро-
ков создания при гарантированном обеспечении параметров надежности, много-
функциональности и др.
На нижеследующих рисунках представлена эволюция типовых конструкций
различных КА.
Так, на рис. 1.2 представлен внешний вид первого космического аппарата Зем-
ли «Восток-1», поднявшего первого человека на околоземную орбиту.
Как известно, стартовавший с Байконура корабль выполнил всего лишь один
(на зато первый в истории человечества) оборот вокруг планеты Земля, причем
полет проходил полностью в автоматическом режиме, при котором первый кос-
монавт Земли был как бы «пассажиром», готовым в любой момент переключить
управление на себя. Хотя реально по нашей классификации это был не «пилоти-
руемый» полет, а полет полностью в автоматическом режиме, но это как раз тот
случай, когда классификация не всегда правильно отражает суть происходящего
процесса (явления, события).
На рис. 1.3 представлен общий вид конструкции одного из первых (1977 г.)
КА дальнего проникновения (так называемый «космический зонд») серии Voyager
(наиболее известные КА – Voyager-1 и Voyager-2). По некоторым литературным
источникам, этот 723-килограммовый автоматический зонд, запущенный 5 сен-
тября 1977 г. и предназначенный для исследований Солнечной системы и ее бли-
жайших окрестностей, к удивлению его создателей до сих пор находится в нор-
мальном рабочем состоянии и в связи с этим обстоятельством выполняет даже
новую (дополнительную) миссию – по определению местонахождения границ
Солнечной системы, включая «пояс Койпера» (Пояс астероидов), хотя по замыс-
лу разработчиков его первоначальная основная миссия заключалась лишь в ис-
следовании двух планет – Юпитера и Сатурна (он был первым зондом, сделав-
шим детальные снимки всех спутников этих планет).
Такое длительное активное существование КА обусловлено прежде всего оп-
тимальными принятыми инженерными решениями при создании электронной
бортовой аппаратуры, грамотным выбором соответствующей ЭКБ для комплек-
тации его бортовых систем.
На рис. 1.4 представлен общий вид конструкции автоматической межпланет-
ной станции НАСА (США), предназначенной для изучения Плутона и его есте-
ственного спутника Харона. Миссия предусматривает, кроме изучения Плутона
и его спутника, достижение к 2015 году орбиты Плутона и изучение Пояса асте-
роидов («пояса Койпера»).
Как видно из сравнения рис. 1.3 и 1.4, общий вид конструкций различных КА
внешне примерно одинаков, но при рассмотрении деталей и конструктивных эле-
ментов становится очевидным их различие, связанное с различным функциональ-
ным назначением. Причем если унификация конструктивных решений КА имеет
свои ограничения, то унификация технических решений электронных бортовых
систем является жизненно важной задачей, одним из условий успешного реше-
ния которой является унификация номенклатуры и технических характеристик
используемой ЭКБ. К сожалению, отечественным разработчикам РКТ эту задачу
до сих пор решить не удалось.
На рис. 1.5 на фоне «колец Сатурна» представлен общий вид конструкции
другого межпланетного зонда Cassini-Huygens, предназначенного для исследова-
ний сразу двух планет Солнечной системы – Сатурна (его «колец» и спутников) и
Титана.
В отличие от предыдущих КА, разработанных Россией и США, этот КА явля-
ется первым плодом глобализации в космической отрасли – объединения усилий
сразу нескольких космических держав и организаций – США (НАСА), Европей-
ского космического агентства и Итальянского космического агентства.
На рис. 1.4 представлен общий вид конструкции автоматической межпланет-
ной станции НАСА (США), предназначенной для изучения Плутона и его есте-
ственного спутника Харона. Миссия предусматривает, кроме изучения Плутона
и его спутника, достижение к 2015 году орбиты Плутона и изучение Пояса асте-
роидов («пояса Койпера»).
Как видно из сравнения рис. 1.3 и 1.4, общий вид конструкций различных КА
внешне примерно одинаков, но при рассмотрении деталей и конструктивных эле-
ментов становится очевидным их различие, связанное с различным функциональ-
ным назначением. Причем если унификация конструктивных решений КА имеет
свои ограничения, то унификация технических решений электронных бортовых
систем является жизненно важной задачей, одним из условий успешного реше-
ния которой является унификация номенклатуры и технических характеристик
используемой ЭКБ. К сожалению, отечественным разработчикам РКТ эту задачу
до сих пор решить не удалось.
На рис. 1.5 на фоне «колец Сатурна» представлен общий вид конструкции
другого межпланетного зонда Cassini-Huygens, предназначенного для исследова-
ний сразу двух планет Солнечной системы – Сатурна (его «колец» и спутников) и
Титана.
В отличие от предыдущих КА, разработанных Россией и США, этот КА явля-
ется первым плодом глобализации в космической отрасли – объединения усилий
сразу нескольких космических держав и организаций – США (НАСА), Европей-
ского космического агентства и Итальянского космического агентства.
И, наконец, следует сказать несколько слов о наиболее сложных межпла-
нетных КА – пилотируемых межпланетных кораблях с посадочными возвраща-
ющимися модулями, при проектировании которых в максимальной степени ана-
лизировались и использовались все полученные ранее знания, опыт, последние
достижения микроэлектроники, космического аппаратостроения, материало-
ведения, космической психологии и др.
На рис. 1.6 представлена сделанная непосредственно после посадки на Луну в
далеком 1969 году фотография одного из целой серии межпланетных КА США
«Апполон» («Апполон-11»). Опять же, его конструкция и внутренне устройство
отличаются от всех вышеописанных КА в силу конкретного целевого назначения
и выполняемых функций.
Вот вошедшие уже в историю факты – командир экипажа легендарный Нил
Амстронг и пилот Эдвин Ондрин оставались на поверхности Луны в специаль-
ном КА «Лунном модуле» в течение 21 часа 36 минут и 21 секунды. Все это время
пилот второго КА «командного модуля» Майкл Коллинз ожидал их на так назы-
ваемой окололунной орбите, поддерживая постоянную радио-видеосвязь как с
ними, так и наземным центром управления полетом. Астронавты (к нашему со-
жалению, не космонавты) совершили один первый выход на поверхность Луны,
который продлился долгих 2 часа 31 минуту, 40 секунд, после чего они успешно
(почти успешно) вернулись в лунный модуль и успешно стартовали с поверхнос-
ти Луны, а затем не менее успешно (по плану) стыковались с командным модулем
и успешно вернулись на родную землю.
Безусловно, успех этой исторической миссии был обусловлен как использо-
ванием новейших достижений в области промышленных технологий, материало-
ведения, конструкторских решений, информационно-коммуникационных техно-
логий, так и правильным выбором состава ЭКБ КН категории «Спейс» при со-
здании различной бортовой аппаратуры командного и лунного модулей.
Хотя данная книга носит сугубо технический характер, для понимания роли и
места микроэлектронных технологий в космическом приборостроении необхо-
димо провести известный только узкому кругу специалистов один из многих не-
приятных эпизодов, которые могли фактический грандиозный триумф превра-
тить в катастрофу миссии.
Как известно, габариты помещений на обитаемых КА данного типа жестко
ограничены, это касается и командных, и лунных модулей данной экспедиции.
Возвратившись с поверхности Луны после исторической мисси в лунный модуль
в громоздких космических скафандрах, последний входивший член лунной экс-
педиции при закрытии входного люка случайно повредил (отломал) небольшой
пластиковый рычажок, расположенный рядом с этим люком. Рычажок имел все-
го два положения – «вверх» и «вниз». Его одна, но жизненно важная функция –
управление запуском стартового двигателя лунного модуля: положение «вниз»
означало «спящий режим», положение «вверх» – означало «старт» (включение
автоматической системы управления процессом старта с поверхности Луны).
Поскольку рычажок сломался в положении «вниз», чтобы перевести механи-
ческие металлизированные контакты в положение, эквивалентное «вверх», аст-
ронавтам, а также всем обеспечивающим полет службам пришлось пережить бо-
лее тридцати крайне неприятных минут.
Кажущуюся анекдотичность ситуации характеризирует следующий факт –
после доклада ситуации командиром экипажа астронавту, находящемуся в коман-
дном модуле и его передачи описания ситуации в наземный центр управления
НАСА, после пятиминутного всеобщего замешательства оттуда последовала пер-
вая «ценная» рекомендация одной из многочисленных групп экспертов, всегда
присутствующих в ЦУПах: «Возьмите стержень от шариковой ручки и его острой
(пишущей) частью механически переместите «ползунок» контакта «вверх». Дей-
ствительно здравая практическая рекомендация, но для земных условий, а где взять
шариковую ручку на Луне? Но одной из отличительных психологических особен-
ностей как наших космонавтов, так и американских астронавтов, является нео-
рдинарность мышления (есть даже специальные тесты, по которым бракуются от
10 до 15 процентов кандидатов в космонавты (астронавты), у которых все другие
параметры полностью соответствуют требованиям).
«Замурованные» в лунном модуле астронавты нашли и использовали острый и
тонкий эквивалент стержня шариковой ручки, после чего стартовый двигатель сра-
ботал штатно, и вся цепь мероприятий по стыковке с командным модулем и последу-
ющим триумфальным возвращением астронавтов на Землю прошла штатно.
В итоге принципиальному инженеру, настойчиво предлагавшему заменить этот
механический переключатель на микроэлектронный сенсорный MEMS-ключ, ру-
ководство НАСА в суточный срок в порядке компенсации выделило премию в
размере оклада и месячную оплаченную путевку для отдыха на Канарских остро-
вах (подальше от журналистов), а в конструкцию аналогичных переключателей
были введены соответствующие изменения, базирующиеся опять же на достиже-
ниях микроэлектронных технологий.
По результатам последующего детального разбора полета непосредственного
руководителя этого инженера по-тихому уволили из НАСА с «белым билетом».
Таким образом, можно сделать следующие общие выводы – устройство конк-
ретного КА определяется прежде всего его целевым назначением, но основой орга-
низации всех бортовых электронных систем является современная микроэлект-
ронная элементная база, которая должна полностью удовлетворять целому ряду
специфических требований, которые будут изложены в последующих главах этой
книги.
На рис. 1.8 представлены в общем виде основные области применения мик-
роэлектронной ЭКР в КА. Здесь в правой части рисунка перечислены основные
функции, которые должны выполнять бортовые системы КА – накопление и хра-
нение данных, обработка информации и генерация соответствующих команд,
интерфейс с экипажем наземных служб, управление различными исполнитель-
ными механизмами, организация электропитания, операции преобразования из-
меряемых величин в аналоговые электрические сигналы и, наоборот, первичная
обработка сигналов и др.
В левой части рисунка представлены конкретные направления (классы)
ЭКБ, предназначенной для обеспечения реализации этих функций – датчики,
операционные усилители, интерфейсные микросхемы, драйверы, схемы си-
ловой электроники, стандартные логические микросхемы, цифровые и анало-
говые микросхемы, стабилизаторы напряжений, солнечные элементы (бата-
реи) и пр.
1.4. Бортовые системы космических аппаратов
1.4.1. Классификация бортовых систем космических аппаратов
Для обеспечения жизнеспособности разнообразных уже эксплуатируемых и только
еще проектируемых космических аппаратов (КА) и выполнения ими целевых про-
грамм необходимо решить достаточно широкий круг общих задач, присущих всем
типам КА. В числе этих задач следующие [13]:
• обеспечение обмена информацией с наземным комплексом управления (НКУ);
• обеспечение снабжения аппарата электроэнергией;
• распределение электропитания на КА между потребителями;
• сбор, хранение, обработка и передача телеметрической информации;
• управление работой систем и оборудования КА в соответствии с програм-
мой полета КА и с учетом его реального состояния;
• поддержание требуемого теплового режима на КА;
• определение и поддержание ориентации КА в пространстве;
• обеспечение движения КА в пространстве (перемещение его центра масс);
• обеспечение углового движения КА в пространстве (перемещения вокруг
центра масс);
• определение и прогнозирование местоположения КА на орбите;
• управление вращающимися солнечными батареями (при их наличии).
При проектировании первых КА каждая задача решалась автономно – исполь-
зовалась отдельная специализированная система, содержащая свою сенсорную ап-
паратуру, свои исполнительные органы и соответствующим образом запрограмми-
рованную автоматику управления. С усложнением внутреннего устройства КА и
увеличением числа решаемых ими задач появилась необходимость в централиза-
ции устройств управления и контроля за работой бортовых систем КА, прежде все-
го, в части рационального расходования и пополнения энергоресурсов, приори-
тетности и времени выполнения полетных и регламентных операций, автономного
реагирования на нештатные ситуации на основе результатов оперативной диагнос-
тики и тестирования бортовой аппаратуры и др. Разработка и внедрение на КА вы-
числительных средств с развитым программным обеспечением (ПО) позволили, в
принципе, решить эту проблему. По аналогии с наземным комплексом управления
(НКУ) появилось понятие бортового комплекса управления (БКУ), объединяюще-
го в себе все основные бортовые системы КА и включающего в себя также борто-
вую вычислительную систему, систему управления движением и навигацией, сис-
тему управления бортовой аппаратурой, бортовую аппаратуру служебного канала
управления, систему бортовых измерений, а также соответствующее программное
обеспечение БКУ, главного интеграционного звена БКУ.
Для более детального рассмотрения принципов построения БКУ автомати-
ческих КА с целевой направленностью (связные спутники, КА наблюдения учас-
тков звездного пространства, космические аппараты зондирования Земли) пере-
числим эти основные бортовые системы (рис. 1.9) [13]:
• бортовая вычислительная система в виде совокупности вычислительных
средств и устройств сопряжения (интерфейсов и адаптеров связи), обеспе-
чивающая информационное взаимодействие с бортовыми абонентами и
предоставляющая свои вычислительные ресурсы для решения задач управ-
ления системами КА и задач контроля их работы;
• система управления движением и навигации (иначе – система ориентации
и управления движением), предназначенная для управления движением КА
как материальной точки (перемещением центра масс), так и для управле-
ния угловым движением КА (движением вокруг центра масс);
• система управления бортовой аппаратурой, выполняющая функции ком-
мутации электропитания, усиления и преобразования электрических сиг-
налов, а также выдачи команд управления в системы и приборы КА в соот-
ветствии с временными или логическими условиями;
• система бортовых измерений, предназначенная для сбора, обработки и пе-
редачи в НКУ телеметрической информации о результатах измерений, ха-
рактеризующих состояние систем КА и протекающие на КА процессы;
• бортовая аппаратура служебного канала управления или командной радио-
линии, представляющая собой радиотехнический комплекс для обеспече-
ния своевременного обмена служебной информацией между НКУ и БКУ;
• объединенная двигательная установка, состоящая из комплекта двигателей
для обеспечения перемещения КА относительно орбиты и углового движе-
ния КА;
• система обеспечения определенного теплового режима внутри КА;
• система энергоснабжения (СЭС) для преобразования первичной (солнеч-
ной) энергии в электрическую.
В некоторых классах КА в качестве отдельной структурной единицы рассмат-
ривается бортовая кабельная сеть.
Внедрение на КА вычислительных средств и новых конструктивно-техноло-
гических решений, применение современной элементной базы и средств комп-
лексирования ПО позволили создать основу для построения интегрированных
БКУ. Возможность оперативного контроля состояния систем КА и «умного» вы-
полнения программы полета КА с учетом внешней обстановки, текущего статуса
бортовых систем и имеющихся на текущий момент времени ресурсов позволила
перенести многообразные функции контроля и управления КА в БВС, точнее – в
ее ПО. Тенденция концентрации этих функций в бортовой вычислительной сис-
теме (ПО БКУ) продолжает усиливаться по мере развития программных и аппа-
ратных средств. Программное обеспечение сформировалось как отдельный (и один
из самых главных) компонент БКУ (рис. 1.10). Программное обеспечение БКУ
построено по иерархическому принципу [13]:
• первый, или нижний уровень составляют драйверы обмена с аппаратурой и
программы организации вычислительного процесса;
• второй уровень составляют программы обеспечения управления и контро-
ля работы бортовых приборов и оборудования;
• программы третьего уровня включают в себя программы обеспечения по-
летных режимов бортовых систем и расчетные программы;
• четвертый, или верхний уровень составляют программы планирования и
организации режимов работы всего БКУ и контроль состояния систем КА.
Архитектура ПО БКУ подразделяет все программы на служебные (диспетчер,
обмен, управление конфигурацией БВС, таймирование и др.) и функциональные
(программы включения/выключения конкретных приборов, программы расчета
различной подготовительной и сопроводительной информации, программы фор-
мирования управляющих воздействий на отдельные приборы и т. п.). Каждая про-
грамма (программный модуль) имеет свои настроечные параметры и логико-ин-
формационные связи с другими программами. Построение ПО БКУ предполага-
ет детерминированное циркулирование обменной информации между програм-
мами всех уровней, причем управляющая информация поступает сверху вниз (от
программ верхних уровней до программ нижних уровней), а контрольно-диагно-
стическая информация – снизу вверх. Для обеспечения функционирования ПО
БКУ в реальном масштабе времени каждой программе определяются последова-
тельность и конкретное время подключения на вычислительном такте бортового
компьютера, а также ее вычислительные ресурсы.
Интеграционный характер ПО БКУ позволяет выполнять, кроме функций
контроля и управления, и другие важные функции и задачи, как, например:
• задачи повиткового планирования полета КА;
• задачи оптимизации расхода бортовых ресурсов;
• функции обеспечения автономности существования КА;
• функции оперативного реагирования на многие нештатные ситуации.
Получение цифровой информации от бортовых систем (напрямую или через
СБИ), обмен информацией с НКУ (через БА СКУ), обработка и использование
полученной информации в вычислительных задачах, реализованных в ПО, – все
это выдвинуло БВС и ПО БКУ на главенствующее место в бортовом комплексе
управления. Системы БА СКУ и СБИ в такой конфигурации являются неотъемле-
мой частью БКУ как источники циркулирующей на КА информации и необходи-
мые звенья, поддерживающие информационно-логические интерфейсы. Следует
отметить, что здесь имеются связи между БВС, БА СКУ и СБИ как физические
(проводные, через бортовую кабельную сеть и интерфейсные устройства сопряже-
ния), так и «виртуальные» (информационные, через каналы информационного об-
мена).
Неотъемлемой и основной частью БКУ следует считать и систему управления
бортовой аппаратурой. Две важные функции СУБА носят интеграционный ха-
рактер и являются прерогативой БКУ [13]:
• обеспечение физического (проводного) интерфейса с системами и обору-
дованием КА и управление ими путем формирования соответствующих
команд и сигналов.
• обеспечение всех бортовых потребителей электропитанием.
Все остальные из вышеперечисленных систем решают свои конкретные зада-
чи, жизненно важные для КА, но не являющиеся интеграционными с точки зре-
ния структурного построения БКУ. Из этих систем особо выделим СУДН, часто
включаемую разработчиками КА в состав БКУ благодаря следующим аспектам:
• задачи СУДН (ориентация, стабилизация, наведение КА для решения це-
левых задач и т.д.) – важнейшие и первоочередные;
• данная система (как и СУБА) – одна из первых бортовых систем, она про-
ектировалась и разрабатывалась уже для первых КА;
• программы управления СУДН тесно привязаны к программам управления
других систем и программам верхнего уровня ПО БКУ и др.
В состав СУДН включены чувствительные элементы в виде оптико-спектраль-
ных датчиков и датчиков угловых скоростей, преобразующие устройства и блоки
формирования управляющих сигналов, а также исполнительные органы в виде
силовых гироприборов (например, маховиков или гиродинов). Исполнительны-
ми органами СУДН служат также двигатели двигательной установки. Состав ап-
паратуры СУДН может дополняться различными навигационными приборами и
аппаратурой спутниковой навигации.
Например, основой построения СУДН разработки РКК «Энергия» является
корректируемая бесплатформенная инерциальная навигационная система, позво-
ляющая в реальном масштабе времени определять текущее положение связанных
осей КА относительно инерциальной системы координат путем интегрирования
составляющих абсолютной угловой скорости (рис. 1.11) [13].
Функционирование СУДН обеспечивается работой трех контуров управления:
• навигационный контур позволяет определять (прогнозировать) в реальном
масштабе времени с заданной точностью местоположение КА на орбите по
начальным условиям, определяемым в НКУ или в бортовой навигационной
аппаратуре с использованием расчетных гравитационных и магнитных мо-
делей Земли и информации от бортовых навигационных датчиков КА;
• кинематический контур управления ориентацией позволяет определять уг-
ловое рассогласование приборного базиса СУДН с неким опорным бази-
сом, задаваемым режимом ориентации; кроме того, кинематический кон-
тур уточняет (корректирует) данный опорный базис;
• динамический контур управления ориентацией позволяет совмещать с за-
данной точностью связанный базис КА с опорным базисом; кроме того ди-
намический контур обеспечивает стабилизацию КА в процессе коррекции
орбиты и других динамических операций.
К служебным системам автоматических КА рассматриваемого класса предъяв-
ляются сходные по своему составу требования, обусловленные полезной нагруз-
кой (или БЦК) к служебным системам этих аппаратов. В головных предприятиях
космической отрасли наметилась положительная тенденция разработки универ-
сальных космических платформ (УКП), единых для различных типов автомати-
ческих КА. Интеграция готовой УКП с новым БЦК путем преемственности сис-
тем и приборов УКП и минимизации этапов проектирования и наземной отра-
ботки позволяет существенно сократить сроки создания новых КА и финансовые
затраты при сохранении показателей качества и надежности.
Степень преемственности существующей космической платформы к примене-
нию на КА с новой целевой аппаратурой определяется исходя из характеристик
этой аппаратуры и состава требований к УКП, ее обусловленных. Основные характе-
ристики БЦК: энергопотребление, масса, количество фидеров питания, тип ин-
терфейсов и др. В число задач, определяемых условиями работы БЦК, включаются:
• обеспечение точности ориентации и стабилизации КА при работе БЦК;
• обеспечение точности наведения и ее оценка;
• обеспечение заданных параметров рабочей орбиты и длительности эксплу-
атации КА;
• выполнение заданных режимов работы БЦК и др.
В такой схеме БКУ рассматривается как ядро УКП [13]. Другими словами,
БКУ является совокупностью основных служебных систем и бортового ПО, обес-
печивающей интеграцию систем УКП при реализации функциональных задач КА
на программно-логическом и физическом уровнях через соответствующие интерОсновные задачи
БКУ:
• сбор, первичная обработка, хранение и телеметрирование информации опе-
ративного контроля, а также ее использование в задачах управления УКП;
• организация информационно-командного взаимодействия с БЦК;
• координированное управление функционированием УКП и КА в целом при
наземной отработке КА и штатном выполнении программы полета в авто-
матическом режиме и по информации от НКУ;
• диагностика состояния УКП и ее систем, обнаружение, локализация и па-
рирование расчетных нештатных ситуаций в автоматическом режиме.
Решение бортовым комплексом управления перечисленных задач сопровож-
дается подтверждением таких качественных характеристик, как:
• высокий уровень комплексирования, т.е. организация комбинированной
работы систем УКП и поддержка интерфейсов при реализации всех полет-
ных режимов и операций в реальном масштабе времени;
• строгая иерархичность многоуровневой структуры построения БКУ и де-
терминированность движения потоков информации (командно-управля-
ющей информации сверху вниз от «ядра» БКУ к каждому элементу и конт-
рольно-диагностической информации снизу вверх от периферийных эле-
ментов до «ядра»);
• развитая гибкость управления, реализованная в алгоритмах управления ПО
БКУ и обеспечивающая на базе целеуказаний от НКУ и обработанной ди-
агностической информации от датчиковой аппаратуры эффективный рас-
ход ресурсов и задействование резервов, а также адаптивность к отказам и
парирование нештатных ситуаций.
Отработанная и готовая к применению в составе целого класса космических
аппаратов платформа создает особенную привлекательность для заказчиков пер-
спективных космических изделий. Развитие и совершенствование БКУ предпо-
лагается в следующих направлениях:
• повышение надежности и увеличение гарантированного срока функцио-
нирования отдельных приборов и БКУ в целом путем применения совре-
менных типономиналов ЭКБ, а также благодаря внедрению функциональ-
ного резервирования на аппаратном и программном уровнях;
• при сохранении целевых функций и показателей БКУ снижение его общей
массы и экономия интерфейсных ресурсов в интересах полезной нагрузки
благодаря унификации разнотипных интерфейсов, оптимизации размеще-
ния бортовой кабельной сети, переходу в отдельных позициях структуры
БКУ на дублирование вместо троирования аппаратных средств.
Первоначальное по замыслу авторов назначение этой книги – ознакомить разработчиков бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (КА) и
систем двойного и специального назначения с современными подходами к проектированию и
применению микроэлектронной элементной базы этой аппаратуры.
Однако в процессе написания книги, сбора и обработки имеющейся обширной
информации, бесед с чиновниками и специалистами отечественной и зарубежной
космической и микроэлектронной отраслей промышленности первоначальный замысел авторов был существенно изменен. Полученные в результате анализа обширные дополнительные материалы заставили отказаться от исходного формата
книги, и кроме изложения собственно особенностей и проблем проектирования
современных микроэлектронных устройств для приборов космического и специального назначения здесь представлен значительно более расширенный материал.
Весь этот материал автором пришлось оформить в виде «двухтомника», где
кроме глав, посвященных непосредственно проблемам проектирования современных микроэлектронных устройств космического и специального (военного) назначения, появились
главы, посвященные другим «космическим» проблемам –
как устроены современные космические аппараты (КА), какова роль радиоэлектронного бортового оборудования в достижении цели проекта, для которого разрабатывался этот КА, какова статистика аварий и отказов этих аппаратов, почему
эти аварии и отказы в значительной степени связаны с качеством и функциональными
возможностями используемых в их бортовых РЭА микросхем, почему в РФ
активно применяются контрафактные микросхемы и как с ними бороться, како-
вы физические механизмы воздействия на РЭА КН ионизирующих излучений
космического пространства и потоков сверхскоростных высокоэнергетических
микрочастиц (космическая пыль) и какими методами и технологическими реше-
ниями можно если не исключить, то хотя бы уменьшить их влияние на надеж-
ность функционирования РЭА космического и специального назначения – и
многое другое.
Необходимость такого существенного увеличения объема книги было во мно-
гом обусловлена информацией, почерпнутой авторами из фундаментального труда
Железнякова А.Б. «Тайны ракетных катастроф. Плата за прорыв в космос» / М.:
Эксмо: Яуза, 2011. – 544 с., где фактически в сжатом виде детально изложена вся
история как отечественной, так и мировой космонавтики.
Изложенные в этой работе факты, описания всех основных этапов грандиоз-
ной эпопеи выхода человечества за пределы нашей Земли, показали всю слож-
ность этой чрезвычайно важной для человечества задачи, а также «высветили»
роль так называемой ЭКБ – элементно-компонентной базы в процессе покоре-
ния космоса.
Конечно, автор этой работы (Железняков А.Б.) не предполагал, что всю массу
достоверно изложенных им триумфальных и трагических событий процесса ос-
воения космического пространства будут читать специалисты по электронике и
рассматривать события под своим углом зрения, с учетом своего опыта и знаний в
сфере микроэлектроники.
К сожалению, и в этом читатели сами могут легко убедиться, обратившись к
первоисточнику, более чем в трети случаев аварий и отказов КА одной из наибо-
лее вероятных причин этих событий является отказ этой самой ЭКБ.
Забегая вперед, одной из многих задач этой книги авторы считают и такую –
проектируя конкретную бортовую радиоэлектронную аппаратуру для КА и выбирая
для этого уже имеющуюся на рынке (или разрабатывая новую ЭКБ) разработчики
должны представлять себя на месте тех людей (космонавтов, сотрудников назем-
ных служб обеспечения КА, военных), жизни которых самым непосредственным
способом будут зависеть от надежности этой самой РЭА. Так в оглавлении книги
появились непредусмотренные ранее главы о структуре и составе бортовой аппара-
туры КА, о детальном сравнительном анализе статистики и причинах аварий и от-
казов ракетоносителей и КА, о контрафактной ЭКБ и способах борьбы с ней.
В ходе изучения этого дополнительного и непосредственно никак не связан-
ного с профессиональной деятельностью авторов (микроэлектроника и ее при-
ложения) материала возникла объективная необходимость сравнить подходы раз-
работчиков КА разных стран (США, СССР/РФ, Китая, стран Евросоюза и др.) к
развитию соответствующей инфраструктуры и принципов использования ЭКБ в
КА и военной технике.
К удивлению авторов – дилетантов оказалось (и это отражено в материалах
книги), что, например, в Китае, намного позже включившемся в «космическую
гонку», в последние годы соотношение числа удачных к неудачным пускам КА
значительно лучше, чем в США и РФ, что у них на момент написания этой книги
в КА используется не менее 98% собственной ЭКБ (для РФ этот показатель – в
зависимости от источника информации – лежит в диапазоне только от 20 до 30% –
все остальное – это иностранная ЭКБ), а их КА уже далеко не повторяют амери-
канские и российские технические решения, а во многом их опережают, а, на-
пример, в области разработки «противоспутникового» оружия они продвинулись
весьма существенно вперед, продемонстрировав наблюдающим за ними конку-
рентам (США и РФ) активно маневрирующие на орбите и выполняющие различ-
ные манипуляции роботы-спутники («убийцы» спутников), а их «нефритовый
заяц» достаточно комфортно чувствует себя на Луне.
В итоге вместо задуманного авторами скромного однотомного руководства
по проектированию современных высоконадежных ИМС и ПП для космической
и военной техники, читателю предлагается своего рода энциклопедия космичес-
кой электроники, обобщающая в объеме двухтомника основную имеющуюся в
открытой печати информацию как о причинах основных аварий и отказов кос-
мической техники за весь период ее развития, так и практические рекомендации
по проектированию надежной элементной базы для бортовой РЭА.
Авторы выражают благодарность коллегам, активно участвовавшим в подго-
товке и обсуждении материалов книги, критические замечания и дополнения ко-
торых способствовали улучшению как структуры книги, так и излагаемого в ней
материала – Бибило П.Н., Богатырев Ю.В., Борисенко В.Е., Бондаренко В.П., Дол-
гий Л.Н., Овчинников В.И., Стемпицкий В.Р., Ушеренко С.М., Коршунов В.П.,
Критенко М.И., Стешенко В.Б., Турцевич А.С., Телец В.А., Мерданов М.К., Мака-
ров Ю.Н., Никифоров А.Ю., Черемисинова Л.Д., Шиллер В.А. и др.
Следует отметить, что многие из этих коллег предоставили авторам ориги-
нальные материалы собственных исследований по тематике этой книги – их вклю-
чение в состав книги в значительной степени усилило практическую направлен-
ность работы.
Авторы также выражают благодарность рецензентам – академику Витязю П.А.
и академику Лабунову В.А., конкретные замечания и предложения которых в зна-
чительной степени способствовали формированию окончательного варианта пред-
лагаемой читателю книги.
Огромный объем работ по техническому оформлению рукописи был выпол-
нен Гордиенко С.В. и Горовой Е.В.
При написании книги авторы использовали многочисленные открытые зару-
бежные и отечественные источники, результаты собственных научных исследо-
ваний и практические результаты, полученные ими в области проектирования
современных микроэлектронных изделий, учитывая специфику исследуемых про-
блем – достоверная информация о результатах анализа причин катастроф и ава-
рий как в СССР/РФ, США, так и в Китае редко появляется в открытой печати.
Поэтому здесь авторы использовали также информацию, полученную во время
личных встреч и переговоров с сотрудниками китайской и индийской космичес-
кой промышленности, в том числе – неоднократных встреч и дискуссий с Абдул
Каламом (его называют «индийский Королев») – до того периода времени, когда
он был избран Президентом Индии – и другими авторитетными специалистами.
Введение
Уникальность предмета исследований книги – космическая и специальная (эк-
стремальная) микроэлектроника – элементная база современной ракетно-кос-
мической техники (РКТ), а также систем вооружений и военной техники.
Впервые в отечественной научно-технической литературе сделана попытка
рассмотреть в рамках одной книги всю сложную цепь взаимосвязанных этапов
создания электронных блоков РКТ – от разработки требований к этим блокам и
их элементно-компонентной базе (ЭКБ) до выбора технологического базиса ее
реализации, методов проектирования микросхем и на их основе бортовых систем
управления аппаратурой космического и специального назначения.
Структура и последовательность изложения материала здесь направлена на из-
ложение достаточно сложного материала в максимально упрощенном (но не в ущерб
качеству) виде. Читателю последовательно излагается достаточный для понимания
проблемы, но минимальный объем информации – от устройства и классификации
космических аппаратов и их бортовых систем, результатов статистического анали-
за причин их аварий и отказов до особенностей выбора и применения ЭКБ иност-
ранного производства. Основной объем представленного материала касается про-
блем проектирования микросхем космического назначения – от выбора техноло-
гии изготовления до методов их проектирования с учетом особенностей глубокого
субмикрона.
Для достижения этой цели материал книги представлен в виде 20-ти глав.
В первой главе в сжатом виде представлены основные направления и тенден-
ции развития космической техники и технологии, приводится классификация кос-
мических аппаратов, дается краткое описание их устройства, принципов органи-
зации и функционирования основных электронных бортовых систем управления,
ибо именно исходя из требований к функциональным возможностям и техничес-
ким характеристикам этих систем формулируются требования к их ЭКБ. Более
подробно рассмотрены космические аппараты дистанционного зондирования
Земли, поскольку в одной из последующих глав рассмотрены практические при-
меры проектирования для них специализированных ПЗС – микросборок.
Здесь же кратко рассмотрены основные механизмы воздействия на КА фак-
торов космического пространства (радиации, микрометеоритов и др.).
В последнем параграфе главы рассмотрены основные направления развития
новых направлений в космическом приборостроении – применение МЭМС-тех-
нологий для создания миниатюрных (размерами со спичечный коробок) реак-
тивных двигателей космического назначения.
Вторая глава посвящена общим проблемам обеспечения безопасности ракет-
но-космической техники, систематизации и анализу основных причин катаст-
роф, аварий, отказов ракетоносителей и КЛА. Приводятся обобщенные по от-
крытым источникам информации статистические данные по изменению харак-
тера и причин отказов на основных этапах развития космической техники, пока-
зана роль надежности используемой ЭКБ в решении задачи снижения рисков
отказов, формулируются основные требования к количественным показателям
надежности и долговечности ЭКБ КН.
Отдельно здесь рассмотрены специальные методы обеспечения надежности
бортовой аппаратуры КА длительного функционирования.
Третья глава посвящена общим вопросам выбора микроэлектронной ЭКБ для
устройств ракетно-космической техники. Рассмотрена типовая структура контрол-
лера бортовой электронной системы управления КА, даны конкретные примеры
использования процессоров и микроконтроллеров в электронных системах уп-
равления иностранными КА,
Детально рассмотрены основные технические характеристики и функциональ-
ные особенности почти всех известных отечественных микроконтроллеров двой-
ного и специального назначения, а также важные для практического применения
особенности проектирования и организации производства микросхем для кос-
мических применений.
При рассмотрении последнего вопроса большое внимание уделено особеннос-
тям использования фаблес – модели, когда оригинальная микросхема проектиру-
ется отечественным дизайн-центром под требования конкретного заказчика – раз-
работчика РЭА космического или специального применения, а затем изготавлива-
ется на одной из зарубежных микроэлектронных фабрик, отдельный параграф гла-
вы посвящен важным для инженера-дизайнера особенностям выбора конкретного
конструктивно-технологического базиса (типа технологии, минимальных проект-
ных норм уровня глубокого субмикрона) для проектирования микросхем косми-
ческого назначения.
Система электроэнергообеспечения современных космических аппаратов во
многом определяет их конечные тактико-технические характеристики, поэтому
здесь детально рассмотрены состав и технические характеристики соответствую-
щей отечественной ЭКБ для систем электрообеспечения.
Для стремительно развивающегося в РФ космического направления – спут-
ников и специальной аппаратуры дистанционного зондирования Земли – пред-
ставлено описание соответствующей ЭКБ, рассмотрены функциональные возмож-
ности, технические характеристики и особенности применения.
Поскольку воздействие ионизирующих излучений космического пространства
является одним из главных факторов, ограничивающих сроки активного суще-
ствования КА и приводящих к отказам и сбоям в работе бортовой РЭА (примерно
в 30% случаев отказов функционирования их причиной является воздействие ра-
диации), отдельный параграф целиком посвящен общим вопросам обеспечения
стойкости бортовой РЭА к ионизирующим излучениям.
В частности, рассмотрены вопросы формирования соответствующих требо-
ваний и определения локальных радиационных условий на борту КА, особеннос-
ти методик оценки радиационной стойкости бортовой РЭА, а также рекоменда-
ции по повышению эффективности использования элементов радиационной за-
щиты от воздействия тяжелых заряженных частиц, основные нормативные мето-
дики оценки радиационной стойкости бортовой РЭА.
Поскольку, кроме микросхем, при построении РЭА КН широко используют-
ся и дискретные полупроводниковые приборы, в конце главы рассмотрена но-
менклатура силовых полупроводниковых приборов КН (мощные полевые тран-
зисторы, диоды, IGBT-модули и др.).
Четвертая глава посвящена особенностям выбора и применения в составе
отечественных космических аппаратов ЭКБ иностранных производителей. Рас-
смотрены общие проблемы и подходы к выбору такой ЭКБ. Отдельно анализиру-
ются нормативные документы США и Евросоюза, ограничивающие экспорт в
Россию этих компонентов, рассмотрены пути и механизмы решения сопутствую-
щих проблем.
Поскольку приобретение иностранной ЭКБ категории Space обычно пред-
ставляет собой достаточно сложную задачу, на практике для проектирования РЭА
КН широко используют иностранную ЭКБ категории Industry (промышленного
назначения). Детально рассмотрены особенности применения этих изделий в ра-
кетно-космической технике, приводится перечень обязательных мероприятий,
которые должен выполнить разработчик РЭА перед тем, как поставить эти образ-
цы в электронные блоки проектируемой РЭА КН. Отдельный параграф посвя-
щен проблемным особенностям выбора иностранной ЭКБ для РЭА стратегичес-
ки значимых отечественных объектов.
Одной из важнейших проблем комплектации РЭА КН импортными микро-
электронными изделиями является проблема так называемого «контрафакта».
Причем эта проблема не только для российских разработчиков, она носит гло-
бальный характер – известно много случаев, когда даже в электронные системы
подводных лодок, боевых самолетов США и стран НАТО, космической аппарату-
ры НАСА и Европейского космического агентства попадали контрафактные (под-
дельные, клонированные) микросхемы низкого качества китайского производ-
ства (в Китае налажено массовое производство таких изделий).
В последние годы все больше контрафактных изделий выявляется и российс-
кими специалистами, а в ряде случаев однозначно установлена их ответственность
за отказы РКТ.
Дана следующая классификация контрафактных изделий: пиратская версия
(клон), компонент не соответствует стандартам изготовления оригинального изде-
лия; компонент не изготовлен сертифицированным на то производителем; компо-
нент является дефектным или ранее бывшим в употреблении, но поставленным
под видом новых компонентов; компонент имеет некорректную (или поддель-
ную) маркировку и сопроводительную документацию. В итоге контрафактную
продукцию можно отнести к следующим более частным категориям: повторно
используемые, перемаркированные, дефектные (бракованные), незаконно (на-
пример, сверх договорного объема) произведенные, клонированные, незаконно
измененные (восстановленные) изделия, а также компоненты с поддельной до-
кументацией.
Для каждой из этих категорий рассмотрены эффективные методы их выявле-
ния. Подробно описан один из таких эффективных методов – специальный ком-
плекс электрических и температурных испытаний с конкретными примерами из
практики анализа. Рассмотрены особенности выбора и применения в отечествен-
ных космических аппаратах иностранных процессоров и микроконтроллеров,
необходимых для построения высокопроизводительных и надежных бортовых
цифровых вычислительных комплексов (БЦВК) – как для систем полезной на-
грузки, так и для платформы космических аппаратов. Детально проанализирован
наиболее широко используемый с 2009 г. в космической отрасли США и стран ЕС
разработанный компанией Aeroflex процессорный комплект Leon 3FT (микро-
процессоры UT699 и GR712): варианты использования, квалификационные ха-
рактеристики, архитектурные и аппаратные особенности, особенности програм-
мирования и пр.
Отдельный параграф посвящен иностранным радиационно-стойким преоб-
разователям постоянного тока для космических и военных применений, объем
импорта которых в Россию за последние 5 лет увеличился на порядок. Как извес-
тно, система электропитания любого спутникового оборудования должна быть
адаптирована к высокой тактовой частоте работы и быстрому изменению нагруз-
ки на шине питания. Показано, что для этого требуется, чтобы эти DC/DC пре-
образователи и стабилизаторы обладали переходными характеристиками на уровне
не ниже десяти ампер на микросекунду при изменении нагрузки в полном диапа-
зоне, при этом максимальное отклонение величины выходного напряжения не
должно превышать ±5%, ибо любое превышение предельно допустимого напря-
жения питания процессора или ПЛИС при таком изменении нагрузки может при-
вести к мгновенному (или скрытому) отказу микросхемы бортовой РЭА.
Здесь же представлены основные результаты обобщения мирового опыта орга-
низации работ по созданию электронных компонентов для бортовой аппаратуры
космических аппаратов, поскольку специфика ЭКБ КН заключается в том, что ее
развитие идет своим путем, отличным от развития электроники общепромыш-
ленной, ориентированной на выпуск массовой продукции с коротким жизнен-
ным циклом и быстрой сменяемостью типов изделий.
Представлены особенности организации работ по развитию ЭКБ КН в США,
где этим занимаются параллельно три ведомства – министерства обороны и энер-
гетики, НАСА, а также в Европе, Японии и Китае.
В пятой главе рассмотрены основные направления решения одной из наибо-
лее актуальных проблем космической микроэлектроники – снижение энергопот-
ребления микроэлектронных устройств космического назначения. Актуальность
проблемы обусловлена тем очевидным фактом, что функциональные возможно-
сти и производительность бортовой РЭА неуклонно увеличиваются, а закон со-
хранения энергии никто еще не отменил. Если за каждый килограмм (тонну) по-
лезной нагрузки конструкторам ракетно-комической техники приходится пла-
тить сокращением «избыточных» функций, то для обеспечения минимизации
энергопотребления электронных блоков приходится использовать самые различ-
ные методы и способы, основанные на использовании как особенностей собствен-
но микроэлектронных технологий изготовления ЭКБ, так и целого спектра ори-
гинальных конструктивно-схемотехнических методов. Пятая глава как раз и по-
священа описанию основных из этих методов.
В начале главы рассмотрены основные механизмы рассеивания мощности в
наиболее широко используемых в КА КМОП-микросхемах, физические, схемотех-
нические, технологические и системотехнические (архитектурные) ограничения,
которые надо знать и учитывать разработчиками и потребителям микросхем кос-
мического применения. Особое внимание в этой главе уделено интерфейсным мик-
росхемам, которые позволяют обеспечивать совместное функционирование в со-
ставе бортовой системы самых различных функциональных блоков, узлов и эле-
ментов систем как единичного целого, организовать взаимодействие различных
электронных бортовых систем КА между собой, обеспечить быстрый и надежный
информационный обмен как между этими «внутренними» системами, так и с «вне-
шними» устройствами. Без так называемого «развитого интерфейса» невозможна
эффективная эксплуатация самых современных вычислительных и управляющих
бортовых систем КА. Важнейшими элементами интерфейса являются специаль-
ные микросхемы, используемые для построения интерфейсных каналов, которые
имеют множество разновидностей, отличающихся функциональными возможнос-
тями, схемотехническими и конструктивно-технологическими решениями, систе-
мой электрических параметров и особенностями применения. Единственное, что
их объединяет, – проблема минимизации их энергопотребления при работе в со-
ставе бортовых систем РЭА КН, а также условия работы (высокий уровень вне-
шних помех, высокие значения переключаемых (коммутируемых) и нагрузочных
токов, экстремальные электрические нагрузки, работа в условиях радиационных и
механических воздействий. Особенности проектирования и применения интерфей-
сных микросхем предыдущего поколения достаточно подробно были изложены в
работе А.И. Белоуса, О.Е. Блинкова «Биполярные микросхемы для интерфейсов
систем автоматического управления (Ленинград, «Машиностроение», 1990 г., 272 с.),
на которую в главе даются соответствующие ссылки.
Однако новому поколению интерфейсных микросхем присущи и новые про-
блемы, и новые методы их разрешения, поэтому здесь основное внимание чита-
телей сконцентрировано на особенностях организации режимов понижения энер-
гопотребления в современных интерфейсных микросхемах преимущественно с
последовательной (а не параллельной) передачей данных. Рассмотрены наиболее
часто используемые разработчиками бортовой РЭА микросхемы приемо-передат-
чиков пониженного энергопотребления типа RS-232 и RS-485, приведены конст-
руктивно-схемотехнические особенности их проектирования, дан развернутый
пример проектирования конкретной схемы электрического блока передатчика,
источника температуронезависимого опорного напряжения и др.
Основные конструктивно-схемотехнические особенности проектирования
ИМС КН с пониженным напряжением питания детально рассмотрены в рамках
отдельного параграфа.
Учитывая широкое использование в интерфейсных (и не только) микросхе-
мах элементов памяти (Embedded memory – встроенная память), последний па-
раграф этой главы посвящен детальному анализу схемотехнических особеннос-
тей организации и применения наиболее часто используемых типов базовых эле-
ментов (ячеек) памяти – различного вида триггеров D-типа.
Учитывая повышенный уровень различного рода помех, генерируемых на борту
эксплуатируемого космического аппарата (орбитальной станции, навигационного
спутника, межпланетного космического аппарата), в эту главу включен специ-
альный параграф, посвященный детальному анализу как самих источников воз-
никающих помех, так и конструктивно-схемотехническим методам их подавле-
ния на ранних этапах – проектирования как собственных заказных микросхем,
так и на этапах их последующего применения в составе бортовой РЭА КН.
Шестая глава посвящена особенностям технологического процесса изготов-
ления и базовым конструкциям современных транзисторов и диодов Шоттки,
предназначенных для использования при проектировании и изготовлении мик-
росхем и полупроводниковых приборов космической микроэлектроники.
Эта глава необходима для понимания современных тенденций и перспектив
развития современной микроэлектроники, которая развивается в направлении
так называемого «глубокого субмикрона». На первый план здесь выходит пробле-
ма масштабирования геометрических размеров интегральных микросхем – умень-
шение линейных (горизонтальных) и вертикальных (параметров активной струк-
туры базового транзистора) размеров вызвала к жизни совершенно новые, ранее
неизвестные физические механизмы отказов этого нового поколения микроэлек-
тронных изделий.
Поэтому здесь детально рассмотрены особенности технологий изготовления и
формируемые этими технологиями конструкции субмикронных МОП-транзисто-
ров. Представлен общий анализ этих конструкций, дано описание наиболее часто
используемых в практической деятельности инженеров-разработчиков БИС мето-
дов улучшения рабочих характеристик МОП-транзисторов для проектных норм 90,
65, 45 нм и менее, отдельно рассмотрены особенности, достоинства и основные
недостатки МОП-транзисторов со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ), осо-
бенности транзисторов с двойным, тройным, и так называемым «цилиндрическим
затвором», а также другие используемые в БИС КН типы транзисторных структур.
В рамках отдельного параграфа рассмотрены особенности использования в составе
БИС КН специальных конструкций транзисторов для аналоговых применений.
Также отдельный параграф главы посвящен конструктивно-технологическим
особенностям изготовления и использования в составе микроэлектронных уст-
ройств высокотемпературных диодов Шоттки – представлены более пятидесяти
вариантов их конструкций с соответствующими комментариями в зависимости
от решаемых ими задач в составе конкретных микросхем и дискретных полупро-
водниковых приборов космического назначения.
Седьмая глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу осо-
бенностей воздействия ионизирующих излучений космического пространства на
субмикронные интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые при-
боры. Если физические механизмы воздействия радиации на «досубмикронные»
микросхемы были достаточно хорошо изучены и представлены в многочисленных
открытых отечественных и зарубежных изданиях, то при использовании субмик-
ронных проектных норм образовался определенный «информационный вакуум» –
в различных литературных источниках часто публиковалась прямо противополож-
ная информация, вплоть до того что субмикронные микросхемы вообще нельзя
использовать в космической аппаратуре из-за якобы их низкой стойкости к иони-
зирующим излучениям открытого космического пространства.
Во многом это объясняется жесткой конкурентной борьбой на рынке изгото-
вителей БИС КН, а также чисто экономическими факторами – разработка суб-
микронной технологии требует вложения уже не сотен тысяч долларов, а сотен
миллионов для уровня 90 нм и достигает нескольких миллиардов долларов для
уровня 45 нм и менее.
К сожалению, на основании подобной дезинформации были приняты и оп-
ределенные решения лидерами отечественной ракетно-технической отрасли, от-
ветственными за принятие решений в области использования ЭКБ для косми-
ческого аппаратостроения.
Поэтому в данной главе детально рассмотрены конкретные особенности и
физические механизмы воздействия радиации на субмикронные БИС (КМОП,
биполярные, цифровые, аналоговые, схемы памяти), а также представлены основ-
ные методы обеспечения их радиационной стойкости, включая рекомендации по
составу тестовых приборов, элементов для экспериментальных исследований вли-
яния радиационных воздействий на характеристики кремниевых микросхем, ре-
комендации по используемому оборудованию и методикам облучения образцов,
методикам их измерений после радиационной обработки.
Достоинством материалов этой главы является то, что в отличие от различного
рода утверждений о «стойкости» или «нестойкости» базовых конструкций субмик-
ронной БИС в десяти параграфах главы представлены конкретные результаты экс-
периментальных исследований (преимущественно отечественных, в том числе ав-
торских, а также авторитетных зарубежных исследователей) о воздействии разного
рода излучений на характеристики различных микроэлектронных приборов.
Так, представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований
воздействия гамма-излучения на параметры субмикронных МОП-транзисторов,
МОП-конденсаторов, ячеек памяти на МОП-транзисторах, логических МОП
ИМС, КМОП ОЗУ, ПЗУ, БиКМОП БИС, МОП/КНИ структур и БИС ОЗУ на их
основе.
Принимая во внимание объективные технические и финансовые проблемы
разработчиков РЭА КН в отношении возможности проведения натурных испы-
таний (полигон в Семипалатинске во времена СССР эти проблемы закрывал), в
последнем параграфе этой главы приводятся описания особенностей примене-
ния и физические обоснования целесообразности применения адекватных ими-
тационных методов исследований радиационных эффектов и методов прогнози-
рования на их основе радиационной стойкости КМОП и БиКМОП-микросхем.
Здесь же представлены конкретные и только апробированные в отечествен-
ной и зарубежной практике методы повышения устойчивости различных классов
БИС к воздействию факторов проникающей радиации (гамма, альфа, бета излу-
чениям, тяжелым заряженным частицам, протонам, нейтронам и другим видам
ионизирующих излучений). Детально описаны методики облучения, методики
измерений электрических параметров тестовых структур и образцов типовых пред-
ставителей основных классов ИМС, состав и особенности используемого при этом
оборудования, технической оснастки и специальных программных обеспечений.
Следующая, восьмая глава целиком посвящена описанию апробированных рас-
четно-экспериментальных методов прогнозирования и расчета уровней радиаци-
онной стойкости как биполярных (цифровых, логических и аналоговых), так и
стандартных КМОП интегральных микросхем.
Здесь же рассмотрены основные конструктивно-технологические и схемотех-
нические методы повышения радиационной стойкости КМОП и БиКМОП-мик-
росхем.
Девятая глава целиком посвящена конкретным аспектам проектирования
микросхем космического применения на основе наиболее быстро развивающе-
гося направления радиационно-стойких ИМС – КНС и КНИ – структур.
Данная глава претендует на фундаментальный характер анализа уровня раз-
вития этого направления развития микроэлектронных технологий, поскольку
содержит достаточно объемную теоретическую часть (анализ особенностей де-
фектообразования в кремнии (и поликремнии) вследствие облучения импульса-
ми гамма-квантов, описание самих радиационных дефектов, их комплексов и
кластеров, описание физических механизмов влияния радиации на проводимость
диэлектрических слоев, свойства границы Si/SiO2 и др.
Приводится сравнение радиационных свойств КНИ ИМС изготовленных раз-
личными технологическими способами, анализируются пути повышения стабиль-
ности и надежности структур с различными диэлектрическими слоями.
Несомненным достоинством главы, с точки зрения авторов, является деталь-
ное описание физических явлений и процессов, происходящих в КНИ БИС в ус-
ловиях воздействия на них различных ионизирующих излучений (единичные сбои,
единичная «защелка», единичное «выгорание», единичный пробой затвора, еди-
ничное восстановление эффекта так называемой «однотранзисторной» защелки),
а также эффектов воздействия импульсного излучения и эффектов «полной дозы».
Все вышеизложенные выводы и рекомендации подтверждаются изложением
результатов конкретных экспериментальных исследований образцов, приведен
состав соответствующих тестовых элементов и получены экспериментальные ре-
зультаты для всех базовых элементов БИС (транзисторы различных конфигура-
ций, резисторы, диоды, конденсаторы).
В заключение приведены наиболее широко используемые конструктивно-тех-
нологические и конструктивно-схемотехнические методы повышения стойкости
КНИ ИМС, в том числе путем стабилизации заряда в «скрытом» диэлектрике
КНИ-структур (путем дополнительной имплантации ионов водорода, путем им-
плантации фтора), а также особенности формирования в КНИ-структурах МОП-
транзисторов с «кольцевыми» затворами, коротко-канальных КНИ МОП-тран-
зисторов и самосовмещенных КНИ МОП-транзисторов с «кольцевым» затвором.
Отдельный параграф главы посвящен сводному анализу конструктивно-тех-
нологических методов повышения устойчивости КНИ-структур к воздействию
факторов открытого космического пространства, предложенных в открытых па-
тентах США.
Также в отдельный параграф выделены вопросы повышения стойкости КНС
и КНИ БИС ОЗУ к воздействию наиболее «опасного» – импульсного ионизирую-
щего излучения (анализ основных радиационных дефектов, приводящих к сбоям в
работе базовых элементов и микросхем, описание методик и аппаратных реали-
заций радиационного эксперимента, ионизационные эффекты в полупроводни-
ковых слоях КНС и КНИ-структур, анализ процесса ионизационной реакции КНС
МОП-транзисторов и импульсное ионизирующее излучение, локальные иониза-
ционные эффекты в диэлектрических областях КМОП КНС БИС ЗУ и др.)
Не менее фундаментальной с точки зрения содержания материала является
десятая глава, посвященная анализу общих проблем проектирования субмикрон-
ных БИС КН и электронных блоков ИС на их основе. Структура главы состоит из
шести разделов, содержащих в свою очередь 33 подраздела, каждый их которых
независимо от представленного объема материала одинаково важен для исполь-
зования в процессе проектирования субмикронных БИС КН.
Использование субмикронной технологии (с технологическими нормами 90 нм
и менее) ставит новые проблемы при проектировании как цифровых, так и анало-
говых КМОП БИС. Некоторые из этих проблем ранее вообще не встречались, тог-
да как другие существовали и ранее, но сегодня приобрели более существенное зна-
чение.
При приближении от 90 нм к 65 нм и тем более к 45 нм перед проектировщи-
ками встают новые проблемы, обусловленные возрастающим влиянием электри-
ческих и физических эффектов, связанных с высокой плотностью межсоедине-
ний и высокой плотностью компоновки транзисторов (динамическое падение
напряжения на переходных сопротивлениях, «антенные» эффекты и эффекты
перекрестного взаимодействия, возрастание роли токов утечки, электромиграция
и многие другие).
Рассмотрены современные тенденции масштабирования, возникающие при
этом проблемы и пути их решения.
Одной из основных проблем является рост величины потребляемой кристал-
лом как статической, так и динамической мощности, обусловленной токами утеч-
ки. Даны рекомендации, как возможно на этапе проектирования управлять опти-
мальным распределением рассеиваемой мощности по площади кристалла.
Детально проанализированы все основные виды токов, протекающих в ак-
тивной и пассивной структурах транзистора (подпороговые токи утечки, туннель-
ные токи затвора, ток выключения, токи переходов и др.), причины их возникно-
вения, выражения для расчета их численных значений.
Особое внимание уделено проблеме расчета и управления величиной дина-
мической мощности в структуре типового субмикронного кремниевого МОП-
транзистора (использование схемотехники блоков с заданной величиной задерж-
ки переключения, корректный учет задержек распространения сигналов на меж-
соединениях и переходных сопротивлениях межуровневых контактов, способы
снижения уровня потребляемой в процессе переключения мощности, методы
библиотечной оптимизации и др.).
В заключительных параграфах главы рассмотрены еще две актуальные для
инженеров-разработчиков проблемы – влияние температуры на характеристики
МОП-транзисторов, изготовленных по технологии глубокого субмикрона (тем-
пературные зависимости подпороговых токов утечки, туннельного тока затвора,
входного и выходного токов, токов переходов), а также влияние разбросов (флук-
туаций) технологических параметров на основные электрические параметры суб-
микронных МОП-транзисторов. Связанное с технологией изготовления откло-
нение электрических параметров базовых транзисторов всегда было серьезной
проблемой для разработчиков – схемотехников и инженеров-технологов. На тех-
ническом сленге это явление известно как Yield Killer (убийца выхода годных).
Неожиданно для самих исследователей этой проблемы выяснилось, что для
субмикронной технологии эффект Yield Killer оказывает действительно «убий-
ственное» влияние на основные рабочие характеристики МОП-транзисторов, и
чем меньше проектная норма, тем сложнее с ним бороться.
Здесь показано, что флуктуации (случайный разброс) технологических пара-
метров в зависимости от их природы можно разделить на «глобальные» и «локаль-
ные». Если «глобальные» флуктуации оказывают влияние на все идентичные ком-
поненты (пластины в реакторе подвергаются неравномерному нагреву в зависимо-
сти от места их расположения), то «локальные» влияют не только на конкретную
пластину, но даже на единичный кристалл (неравномерный нагрев пластины в цен-
тре и на периферии в процессе высокотемпературного окисления и др.).
Поэтому особое внимание уделено влиянию этих технологических флуктуаций
на величину токов утечки. В частности, показано, что подпороговый ток Isub (раз-
брос значений которого дополнительно обусловлен флуктуацией дозы легирова-
ния, толщины подзатворного окисла, длин каналов) экспоненциально зависит от
важнейших параметров транзистора – пороговых напряжений и туннельного тока
затвора, причем эта зависимость носит ярко выраженный нелинейный характер
даже в случае незначительного увеличения разброса технологических параметров.
В завершении главы сформулированы конкретные рекомендации по сниже-
нию токов утечки в МОП-транзисторах, изготовленных по субмикронным тех-
нологиям, перечислены основные ограничения, связанные с уменьшением их
линейных размеров, даны конкретные рекомендации по методам минимизации
токов утечки при проектировании микросхем как на системном (архитектурном),
так и на логическом и схемотехническом уровнях реализации проекта.
Глава 11 посвящена особенностям проектирования систем на кристалле (СНК)
и систем в корпусе (СВК), предназначенных для использования в бортовой РЭА
КН, а также в системах вооружения и военной техники.
По определению СВК представляет собой объединение нескольких различ-
ных кристаллов цифровой логики, памяти, интерфейсных компонентов, пассив-
ных компонентов, фильтров, антенн в одном стандартном (или специально раз-
работанном) металлокерамическом или другом специальном корпусе.
Рассмотрены конкретные особенности проектирования СВК и СНК, приве-
дено сравнение их основных параметров и соответственно процессов их разра-
ботки. Так, например, показано, что стоимость реализации типового СНК проекта
в 7–10 раз больше, чем СВК, если время реализации СВК занимает от 6 до 9 меся-
цев, то процесс создания СНК – от 18 до 36 месяцев, причем если для создания
СВК требуется практически стандартный коллектив разработчиков, то для СНК
нужен уже численно больший специально подготовленный коллектив высоко-
квалифицированных инженеров, при этом отладка прототипа СВК занимает всего 1-2 месяца против 12–20 месяцев для СНК.
Отдельно рассмотрены особенности проектирования высокочастотных (RF)
модулей в составе СВК. Так, параметризованные ячейки (р-cells) для пассивных
устройств RF являются уже стандартным библиотечным компонентом в постав-
ленных на рынок средств САПР, но они не предусматривают обычно учет влия-
ния характеристик выбранного проектировщиком конкретного типа корпуса.
Опять же, на эскизном этапе проекта разработчик самостоятельно должен при-
нимать ряд нестандартных решений (например, стоит ли помещать требуемую
индуктивность на кристалл, где она занимает много полезной площади, или це-
лесообразно разместить ее на подложке, плате, элементе корпуса).
В рамках отдельного параграфа рассмотрены некоторые дополнительные осо-
бенности технологий глубокого субмикрона, которые также необходимо учиты-
вать в процессе проектирования специализированных микросхем для СНК и СВК.
В частности, это касается учета влияния дестабилизирующих факторов на быст-
родействие цифровых микросхем с помощью средств САПР. Так, для проектов с
использованием технологических норм больше 0,25 мкм, включающих до милли-
она вентилей, можно не учитывать влияние технологических флуктуаций и им-
пульсных помех на выходные параметры цифровых микросхем. Однако уже для
0,18 мкм отклонения реальных значений динамических параметров от расчетных
весьма существенны. Максимальные значения импульсных помех в цепях пита-
ния могут достигать десятков процентов, причем наибольшую амплитуду имеют
составляющие с частотами от 30 до 300 МГц (а именно это частоты обычно ис-
пользуются для внутренней синхронизации кристаллов).
Показано, что если для 0,25 мкм проектных норм при расчете динамических
параметров обычно достаточно учитывать только емкости проводников межсое-
динений, то при 0,18 мкм необходимо учитывать уже и омические сопротивления
линий связи, а при нормах 90 нм – еще и индуктивности, паразитные резисторы,
что в итоге многократно увеличивает время расчетов.
Детально проанализированы особенности проектирования топологии крис-
таллов, предназначенных для использования в СНК и СВК, приведены конкрет-
ные рекомендации по минимизации последствий работы различных паразитных
эффектов. Например, для исключения «антенного» эффекта (в процессе плазмен-
ного травления и полировок на проводниках накапливается статический заряд,
который может вызвать пробой МОП-транзистора) рекомендуется вводить спе-
циальные ограничения на величину максимальной площади внутренней метал-
лизации соединительных шин. Для выравнивания плотности токов в проводни-
ках и уменьшения возникающих после химико-механической полировки термо-
механических повреждений рекомендовано использовать «фиктивные» элемен-
ты – фиктивные проводники в широких диэлектрических зазорах, фиктивные
диэлектрические зазоры рядом с «широкими» проводниками.
Последующие пять глав посвящены обобщению и анализу результатов исследо-
ваний преимущественно отечественных ученых и специалистов в области защиты
бортовой аппаратуры космических летательных аппаратов и используемой ЭКБ КН
от различного рада деструктивных факторов открытого космического пространства.
Если проблемы воздействия радиации и методы повышения радиационной стой-
кости ЭКБ достаточно подробно рассматривались в ряде предшествующих глав, то
нижеследующие главы посвящены в основном конкретным проблемам защиты
бортовой аппаратуры и ЭКБ от влияния электромагнитного излучения и высоко-
скоростных потоков микрочастиц, или в более общем виде – защиты от воздей-
ствия импульсных высокоэнергетических потоков вещества и излучений.
Известно, что в космическом пространстве находится большое количество кос-
мического мусора, микрометеоритов, «сгустков» микрочастиц так называемой «кос-
мической пыли» и других объектов микро- и макроуровня. Например, плотность
этой космической пыли в околоземном пространстве составляет 3 · 10–29 кг/м3 (на
Землю оседает примерно 400 тонн пыли в сутки).
Космическая пыль образуется частицами диаметром от нескольких микрон
до одного миллиметра (основная масса имеет размеры от 1 до 100 мкм), отдель-
ные из которых движутся со скоростями от 1 до 10 тыс. км/с.
Долгое время соударения таких сгустков микрочастиц с металлическими кон-
струкциями космических аппаратов рассматривались лишь с классической пози-
ции эрозии внешней поверхности. Однако по мере накопления информации о
причинах отказа бортовых систем и КА стало очевидно, что такой подход не соот-
ветствует реально протекающим в космосе процессам. В основе сложных процес-
сов, происходящих при ударе частиц о корпус КА и отдельные элементы его кон-
струкции, лежит механизм образования плазмы, которая может индуцировать в
электронных устройствах значительные «наведенные» импульсные токи, наруша-
ющие нормальную работу бортовых систем вплоть до их выхода из строя.
Поэтому задача защиты конструкций и отдельных элементов КА с длитель-
ным сроком существования, космических орбитальных и особенно межпланет-
ных станций от воздействия потоков микрочастиц является весьма актуальной.
Глава 12 посвящена проблемам получения соответствующих специальных ма-
териалов для защиты микросхем и блоков бортовой аппаратуры от воздействия
этих высокоскоростных потоков микрочастиц и несанкционированных электро-
магнитных излучений.
Детально рассмотрены физические механизмы и особенности взаимодействия
этих потоков микрочастиц с физической преградой (корпус КА, корпус микро-
схемы), их влияние на изменение структуры и свойств материалов, подвергшихся
такому воздействию. В частности, исследованы механизмы влияния границ раз-
дела в многослойных материалах на проникающую способность микрочастиц,
рассмотрены особенности получения специальных многослойных материалов,
корпусов, предназначенных для защиты кристаллов микросхем от проникающе-
го воздействия этих микрочастиц и электромагнитного излучения.
Остальные параграфы этой главы посвящены анализу известных радиопоглоща-
ющих материалов, в том числе и многослойных, применяемых для защиты от элект-
ромагнитного излучения, а также анализу физических механизмов процессов погло-
щения и отражения электромагнитного излучения многослойными материалами.
Глава 13 посвящена описанию конкретных методик и типов оборудования, ис-
пользуемого для проведения экспериментальных исследований процессов взаимо-
действия высокоскоростных потоков микрочастиц с различными материалами.
В первом параграфе обоснован выбор в качестве основных материалов для
исследований порошков SiC и Al2O3 с размером 50–100 мкм, а в качестве объек-
тов исследований, применяемых в бортовой аппаратуре и требующих защиты,
использовались микросхемы в металлокерамическом и пластмассовом корпусах
(они же выполняли роль тестовых объектов и детекторов). Представлено описа-
ние методик выбора матричных материалов и наполнителей, которые восприни-
мали основную долю нагрузки в композиционных материалах.
Подробно рассмотрены комплексная методика и оборудование для испыта-
ний. В частности, для разгона частиц до скоростей 1–3 км/с применялись специ-
альные взрывные ускорители, основанные на кумуляции энергии взрывчатых ве-
ществ (насыпной аммоний марки 6ЖВ).
При разработке методик измерений электромагнитного излучения, возника-
ющего при взаимодействии микрочастиц с преградой, для количественной оцен-
ки магнитодинамических процессов использовался эффект Холла.
В основе методик измерения и регистрации ионизирующих излучений, воз-
никающих при высокоскоростном соударении частиц космической пыли с защит-
ными элементами КА, использовалась в качестве основного материала рентгено-
вская пленка с чувствительностью 850 Р–1 по критерию 0,85 под вуалью.
Представленная в главе методика исследования структуры и свойств матери-
алов после воздействия на них высокоскоростного потока микрочастиц базиру-
ются на использовании стандартного комплекта оборудования для проведения
металлографического анализа, сканирующей электронной микроскопии, рент-
геноспектрального микроанализа, а также оборудования просвечивающей элект-
ронной микроскопии.
Детально рассмотрены результаты рентгеноструктурного анализа происходя-
щих деформационных процессов, описана детализированная методика и особен-
ности измерения основных электрофизических параметров как самих испытыва-
емых микросхем, так и вышеперечисленных композиционных материалов.
В главе 14 представлены экспериментальные результаты исследования влия-
ния воздействия высокоскоростных потоков микрочастиц на механические и элек-
трофизические свойства защитных материалов, детализированные методики про-
ведения которых были рассмотрены в предыдущей главе. Результаты эксперимен-
тальных исследований представлены в виде таблиц, графиков, фотографий, со-
провождаемых соответствующими описаниям, комментариями.
Необходимость такого представления материала обусловлена тем фактом, что,
к сожалению, до сих пор наличие вышеописанного механизма влияния воздей-
ствия микроразмерных частиц «космической пыли» на материалы и приборы вы-
зывает неординарную реакцию экспертов и иногда подвергается сомнению. Ис-
пользуя методики, перечень оборудования, указанный в предыдущей главе, лю-
бой исследователь может повторить эксперименты и убедится в существовании
эффекта, чтобы в последующем направить свои изыскания на поиск путей и спо-
собов защиты от его последствий.
Например, при исследовании электромагнитных излучений были зарегист-
рированы спектры излучения амплитудой от 100 мВ до 1,5 В при длительности
импульса (5–12) ⋅ 10–6 с на расстоянии всего 15 см от эпицентра взрыва. В момент
взрывов продукты сдетонировавших взрывчатых веществ представляли собой
смесь газообразных и конденсированных веществ при давлении 20–40 ГПа и тем-
пературе 3000–5000 К, а ведь подобные состояния, как известно, типичны для
низкотемпературной неидеальной многокомпонентной и многообразной плаз-
мы с низкой концентрацией заряженных частиц, которые также участвуют в фор-
мировании деструктивного для физической преграды потока.
Представлены фотографии видов отдельных дефектов и треков, наблюдаемые
также на поверхностях исследуемых кремниевых пластин и кристаллов при ско-
ростях потока частиц в диапазоне 1,2–1,5 км/с.
Отдельный параграф посвящен теоретическим и практическим особенностям
проведения моделирования процессов создания потоков таких микрочастиц и их
взаимодействию с корпусами КА и отдельных микросхем.
Показано, что основные повреждения в микросхемах – «механические» по-
вреждения в виде разрывов и сколов (в местах проволочных соединений, метал-
лизированных шин питания, контактных площадок), а также впервые зафикси-
рованные оригинальные дефекты – в местах повреждения наблюдаются зоны ло-
кально разогрева высокой интенсивности, которые в ряде случаев приводят воз-
никновению и росту в этих местах новых кристаллических образований из
полупроводникового материала поврежденного кристалла (представлен ряд фо-
тографий).
Длительное время исследователям не удавалось определить численные харак-
теристики энергии генерации электромагнитного поля и потоков высокоэнерге-
тических ионов, необходимой для выброса струй плотной плазмы из объема пре-
грады, поскольку длительность процесса не превышает 10–3 с, а в рамках теории
обычного «классического» механического удара, как известно, не возникает ис-
точник дополнительной энергии. Поэтому в последнем параграфе главы деталь-
но рассмотрены особенности процесса генерации такого электромагнитного поля,
суть которого можно кратко описать следующим образом – на первой стадии раз-
вития процесса электромагнитное поле формируется при движении частиц внут-
ри твердого тела, при котором имеет место «классический» механизм трения –
с потерей массы и возникновением в материале электрически заряженных час-
тиц. Движение миллионов этих частиц инициирует возникновение соответству-
ющих электромагнитных полей. Пульсация внутри таких «солитонов» высокого
давления приводит к эквивалентному физическому эффекту пульсаций плотной
плазмы внутри преграды, а уже сопутствующие ударно-волновые процессы пере-
мещают в металлах обобществленные электроны.
Глава 15 посвящена анализу качественных и количественных изменений струк-
туры и свойств одно- и многослойных защитных материалов при воздействии на
них высокоскоростных потоков микрочастиц. Представлены результаты анализа
таких изменений в структурах однослойных материалов (металлов, полимерных
материалов). Вначале рассмотрены изменения вольт-амперных характеристик
стандартных («незащищенных») микросхем серийного производства, а затем пред-
ставлены и проанализированы соответствующие изменения вольт-амперных ха-
рактеристик микросхем, конструктивно оформленных в корпусах из «защитно-
го» многослойного материала.
Поскольку в конструкциях КА широко применяются такие материалы, как
алюминий, титан и их сплавы, приведены результаты исследований воздействия
частиц SiC на микроструктуру образцов из алюминия.
В главе 16 более детально рассмотрены конкретные особенности и последова-
тельность операций технологического процесса изготовления многослойных за-
щитных материалов для корпусов микросхем КН, устойчивых к эффекту сверх-
глубокого проникновения высокоскоростных микрочастиц.
Сформированы основные требования к таким материалам, описаны основ-
ные этапы технологического процесса получения многослойных материалов для
корпусов ИМС. Описаны особенности влияния размера частиц наполнителя на
свойства материалов, особенности формирования макро- и микроструктуры этих
многослойных материалов, представлены конкретные данные о механических и
электрофизических свойствах материалов и экранирующих свойствах многослой-
ных корпусов.
В главе 17 рассмотрены основные методы отбраковки в серийном производ-
стве микросхем со скрытыми дефектами. Представленные методы позволяют раз-
работчикам электронных устройств повышать надежность, в случае невозможно-
сти получения требуемых типономиналов иностранной ЭКБ категории Space или
Industry использовать для комплектации прототипа устройства отечественные
микросхемы двойного или специального назначения, но прошедших комплекс
дополнительных испытаний в соответствии с рассмотренными методами. Это
относится к использованию специальных статистических подходов (коэффици-
енты чувствительности выходных параметров, границы области работоспособно-
сти), моделей математической обработки результатов форсированных испытаний,
определению потенциально ненадежных микросхем с использованием принуди-
тельного электростатического разряда, специальных режимов процедуры термо-
тренировки, специальных критериев отбраковки по величине динамического на-
пряжения и др.
В главе 18 рассмотрен типовой состав библиотек дизайн-китов (Process Design
Kits (PDK) и особенности их применения при проектировании микросхем с суб-
микронными проектными нормами. Рассмотрены структура стандартного РDК
и процесс разработки нового (в случае такой необходимости). При проектирова-
нии субмикронных ИМС важной особенностью является необходимость учета и
глубокого анализа особенностей используемого технологического процесса при
проведении компьютерного моделирования проектируемой ИМС.
Описаны необходимые правила стандартизации РDК, порядок и особеннос-
ти проектирования смешанных аналогово-цифровых микросхем, приведены опи-
сание информационной модели их проектирования, а также способы определе-
ния состава библиотек проектирования и перечня элементов, требующие стан-
дартизация.
Основной раздел главы посвящен детальному описанию важных для практи-
ческого применения особенностей цифровых библиотек проектирования заказ-
ных ИМС с субмикронными и «глубокосубмикронными» технологическими но-
мами.
Изложение материала сопровождается анализом конкретных демонстраци-
онных примеров (модели источников тока, схемы сдвига уровня, управления пи-
танием, библиотеки схем ввода-вывода и т.п.).
В конце главы приводится описание открытого учебного (Educational Design
Kit) РDК компании SYNOPSYS, а также состав учебных РDК, представляемых
известным международным центром микроэлектроники IMEC.
Глава 19 посвящена «некремниевой» микроэлектронике – арсениду галлия,
нитриду галлия. В силу ограниченного объема книги здесь в рамках одной главы
приведена основная информация о свойствах этих полупроводниковых материа-
лов, приведены основные особенности технологии и конструкции современных
высокочастотных транзисторов и микросхем на их основе. Рассмотрены основ-
ные сферы применения СВЧ ИМС, в том числе для построения фазированных
антенных решеток. Дан краткий обзор отечественных предприятий и их достиже-
ний в области СВЧ-техники.
Последняя глава – глава 20 носит в определенной степени полемический ха-
рактер. Она в основном предназначена не техническим специалистам (хотя будет,
безусловно, интересна и им), а менеджерам, руководителям предприятий косми-
ческой и оборонной промышленности, руководителям федеральных и государ-
ственных органов, имеющих отношение к разработке и реализации государствен-
ной и ведомственной политики в отношении вышеуказанных отраслей.
В этой главе изложены результаты исследований авторами возможных путей
решения острой проблемы обеспечения этих приоритетных для государства от-
раслей ЭКБ с гарантированной надежностью и в требуемых для поступательного
развития объемах.
В начале главы авторы на конкретном примере из собственного опыта попы-
тались развеять активно обсуждаемый современными средствами массовой ин-
формации миф о недееспособности отечественных разработчиков РЭА КН.
В качестве этого примера изложена история создания РЛС ФАР «Волга», где
секретным решением ЦК КПСС и Правительства СССР предписывалось создать
станцию на основе собственных оригинальных алгоритмов обработки информа-
ции и только с использованием отечественной ЭКБ. Тогда специалисты НИИ ДАР
совместно с НИИ ЦЭВТ (г. Москва) разработали алгоритмы и технические зада-
ния на ЭКБ, для реализации которых в этот момент в СССР не было даже соответ-
ствующей интегральной технологии. Но поскольку было принято политическое
решение, их новые технологии и новые, не имеющие зарубежных аналогов, мик-
росхемы были разработаны и освоены в серийном производстве НПО «Интеграл»
(параллельно решена задача унификации – вместо 200 ИМС все функции были
реализованы на 7-ми ИМС).
Проведен анализ возможных источников стабильного получения современной
ЭКБ для космических и военных применений – отечественные, США, Европа и
Китай. В результате простого статистического анализа показано, что в настоящее
время и в ближайшем будущем отечественная полупроводниковая промышленность
не в состоянии удовлетворить в требуемом объеме как текущие, так и возрастаю-
щие перспективные потребности РКП и СВ и ВТ в ЭКБ, а поставка иностранной
ЭКБ из США и Европы будет проблематичной как по ряду чисто технических воп-
росов, так и по соображениям геополитического характера. В этой связи в рамках
отдельного параграфа представлены в сжатом виде результаты анализа состояния и
динамики государственных инвестиций, производственных возможностей и ресур-
сов разрабатывающих дизайн-центров Китая, который, по мнению авторов, должен
стать в ближайшей и среднесрочной перспективе стратегическим партнером Рос-
сии в области совместного производства и поставок ЭКБ для приоритетных от-
раслей отечественной промышленности – по объемам ежегодных финансовых
инвестиций и по их нарастающей динамике, по количеству крупных серийных про-
изводственных линий полупроводниковых фабрик (в Китае – больше 170, в СНГ
только три – «Микрон» и «Ангстрем» в Зеленограде и «ИНТЕГРАЛ» в Минске), по
количеству разрабатывающих дизайн-центров (в РФ – больше 30-ти, в КНР – бо-
лее 370-ти). Сравнение не в пользу отечественной полупроводниковой отрасли.
В области освоения космоса Китай проходил в анализируемый период времени все
этапы быстрее РФ – то, на что в СССР (РФ) уходило 4-5 лет, Китай преодолевал за
год-полтора, а его последние разработки КА уже далеко не копии советских (рос-
сийских) КА.
Частота отказов и аварий китайских КА почти в два раза меньше отечествен-
ных и имеет стойкую тенденцию к снижению, чего нельзя сказать в отношении
российских запусков.
20 лет назад США полностью запретили поставки ЭКБ КН в Китай (в отли-
чие от РФ), что послужило стимулом развития оригинальной китайской ЭКБ КН,
у которой пока еще много проблемных вопросов, о которых говорится в одном из
параграфов этой главы.
В качестве альтернативы закупкам ЭКБ с Запада в этой главе читателю пред-
лагается обсудить два варианта (кроме стратегического альянса с китайской по-
лупроводниковой промышленностью).
Первый вариант – «лобовое решение» – создание в России специализиро-
ванного (только под задачи РКП и ОПК) научно-производственного полупро-
водникового кластера в составе крупного интегрирующего центра системного
проектирования и двух полупроводниковых фабрик – кремниевой и арсенид-гал-
лиевой (включая опции «нитрид-галлия»).
Второй вариант – создание целой сети небольших мелкосерийных кластеров
на основе методов бесшаблонной литографии, которые будут располагаться не-
посредственно на предприятиях-разработчиках РЭА стратегического назначения,
обеспечивая независимость отрасли от поставок иностранной (в перспективе – и
китайской) ЭКБ. Включая материалы главы в эту книгу, авторы преследовали только
одну цель – активизировать полемику в среде технических специалистов, экс-
пертов, руководителей профильных предприятий РКП и ОПК, чиновников соот-
ветствующих министерств, ведомств по поиску путей обеспечения приоритетных
отраслей промышленности и оборонного комплекса качественной, надежной и
сложнофункциональной ЭКБ.
Перечень условных обозначений
АЛУ – арифметико-логическое устройство
АФТ – алгоритмические функциональные тесты
БАКА – бортовая аппаратура космических аппаратов
БиКМОП БИС – большая интегральная схема на основе биполярных транзис-
торов и комплементарных МОП-транзисторов
БИС – большая интегральная схема
БЛЭ – базовый логический элемент
БПС – быстрые поверхностные состояния
БПФ – быстрое преобразование Фурье
БЦВМ – бортовая цифровая вычислительная машина
БЭ – базовые элементы
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВПР – время потери работоспособности
ВФХ – вольт-фарадная характеристика
ДЗЗ – дистанционное зондирование Земли
ДМ – диэлектрик-металл
ДП – диэлектрик-полупроводник
ДЦ – дизайн-центр
ЗУ – запоминающее устройство
ИИ – ионизирующее излучение
ИИИ – импульсное ионизирующее излучение
И2Л – интегральная инжекционная логика
ИКН – интегральные компараторы напряжений
ИМС – интегральная микросхема
ИОУ – интегральные операционные усилители
ИСЗ – искусственный спутник Земли
КА – космический аппарат
КЛА – космический летательный аппарат
КМОП ИМС – интегральная микросхема на комплементарных МОП-транзис-
торах
КН – компараторы напряжений
КНИ – «кремний-на-изоляторе»
КНС – «кремний-на-сапфире»
КО – катастрофические отказы
ЛЭ – логический элемент
МДП – металл-диэлектрик-полупроводник
МКС – межпланетная космическая станция
МНОП – металл-нитрид-окисел-полупроводник
МОП – металл-окисел-полупроводник
МОПТ – МОП-транзистор
ННЗ – неосновные носители заряда
НПО – научно-производственное объединение
НТЦ – научно-технический центр
Перечень условных обозначений 31
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ОУ – операционные усилители
ПЗС – микросхема на основе использования поверхностных зарядо-
вых состояний
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ППЗУ – постоянное программируемое ЗУ
ПС – поверхностные состояния
РД – радиационные дефекты
РН – ракета-носитель
РПЗУ – репрограммируемое ПЗУ
РС – радиационная стойкость
РЭА – радиоэлектронная аппаратура
СА – спускаемый аппарат
СБИС – сверхбольшая интегральная схема
СВВФ – специальные внешние воздействующие факторы
СЖР – сверхжесткое рентгеновское (излучение)
СИИ – стационарное ионизирующее излучение
СН – стабилизаторы напряжения
СОЗУ – статическое оперативное запоминающее устройство
ТКН – температурный коэффициент напряжения
ТНЧ – тяжелые незаряжанные частицы
ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика
ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки
ТУ – технические условия
ТЭ – тиристорный эффект
УБР – уровень бессбойной работы
УСИ – уровень сохранности информации
УФО – уровень функционального отказа
ФК – функциональный контроль
ЭЗ – элементы защиты
ЭКБ – элементно-компонентная база
ЭМИ – электромагнитное излучение
ЭНПО – экспериментальное научно-производственное объединение
ЭП – элементы памяти
ЭС – элементы согласования
ЭСЗ – электростатический заряд
ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика
ЭСП – эффект сверхглубокого проникновения
ЭСППЗУ – электрически стираемое программируемое постоянное запоми-
нающее устройство (EEPROM – Electrically Erasable Programmable
Read Only Memory)
ЭСР – электростатический заряд
ЭТТ – электротермотренировка
ЯП – ячейка памяти
ГЛАВА 1
СОВРЕМЕННЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
1.1. Основные направления развития
космической промышленности
В настоящее время космические технологии так широко вошли в современную
жизнь человечества, что отказ от них отбросил бы развитие цивилизации далеко
назад, поскольку только с использованием возможностей космической отрасли
возможно решение задач развития как современного индустриального общества
в целом, так и отдельного суверенного и индустриально развитого государства.
Главной целью государственной политики в области развития космической
промышленности любой современной страны в конечном счете является выход
этой страны на качественно новый уровень науки, технологий и промышленных
возможностей. Прежде всего – это защита государственных, научных и экономи-
ческих интересов страны в области космической деятельности; укрепление обо-
роны и безопасности государства; укрепление кадрового потенциала промышлен-
ности; разработка современных и перспективных отечественных космических
средств, приборов, стратегических материалов, средств связи и управления; на-
копление и совершенствование научных знаний о Земле, Вселенной и космичес-
ком пространстве, расширение международной космической кооперации в деле
совместных научных исследований и освоения космоса и многое другое.
Говоря прагматичным языком, приобретение страной статуса космической
державы должно принести конкретную пользу и материальную выгоду социаль-
но-экономическому развитию страны.
Кроме очевидных задач обеспечения обороны, национальной безопасности
(космическая разведка, космическая связь и управление, системы раннего обна-
ружения пусков баллистических ракет) и технологической независимости только
использование космических технологий может обеспечить государству решение
многообразных народнохозяйственных и технических задач в следующих сферах:
• глобальная многоканальная связь;
• многопрограммные радио- и телевещание;
• высокоточная оперативная навигация всех транспортных и других объектов;
• достоверное метеорологическое обеспечение;
• оповещение о чрезвычайных ситуациях;
• экологический мониторинг;
• глобальное оперативное спасение;
• изучение природных ресурсов – дистанционный поиск полезных ископаемых;
• новейшие высокие технологии и материалы;
• расширение знаний о Вселенной;
• медико-биологические исследования
Реализация наиболее насущных потребностей каждого государства в этих сферах
в настоящее время осуществляется в рамках национальных космических программ,
направленных на создание перспективной космической техники и технологий.
В то же время в мире наблюдается тенденция интеграции космических средств
и технологий различных стран с целью обеспечения более эффективного исполь-
зования выделяемых национальными бюджетами весьма значительных бюджет-
ных финансовых средств, необходимых для развития КП, что позволяет ускорить
развитие и совместное использование их космического потенциала в интересах
решения социально-экономических, оборонных и научных задач, стоящих перед
этими странами. Необходимость и актуальность такой интеграции средств и тех-
нологий подтверждается общими потребностями стран в:
• обеспечении потребителей недорогой качественной космической инфор-
мацией дистанционного зондирования Земли, в том числе с использовани-
ем центров предоставления космических услуг;
• развитии международного сотрудничества в области создания и совмест-
ного использования космического потенциала;
• создании устойчивой кооперации предприятий и организаций по разработке
перспективных космических средств и технологий, включая микро- и на-
нотехнологии.
В качестве примера практической реализации таких интеграционных процес-
сов в научно-технологической и производственной сферах на постсоветском про-
странстве следует отметить успешную реализацию по космической тематике ряда
совместных программ Союзного государства Российской федерации и Республи-
ки Беларусь [1–3].
Первой стала запущенная в 1998 году программа «Разработка и использова-
ние космических средств и технологий получения, обработки и отображения кос-
мической информации» («Космос-БР»), одной из задач которой, помимо соб-
ственно реализации заданий программы, было восстановление разорванных с
распадом СССР научно-производственных связей между предприятиями и орга-
низациями космической отрасли двух государств.
Продолжением «Космос-БР» стала вторая совместная программа «Разработ-
ка и исследование перспективных космических средств и технологий в интересах
социально-экономического развития Союзного государства» на 2004–2007 годы
(«Космос-СГ»), в результате реализации которой белорусские и российские парт-
неры создали современный технический комплекс приемной космической ин-
формации системы дистанционного зондирования Земли, целый ряд современ-
ных технических и программных средств и технологии обработки и дешифровки
космических снимков, мобильный образец контрольно-корректирующей стан-
ции для высокоточного определения координат и многое другое.
В 2011 году завершилась реализация третьей российско-белорусской програм-
мы «Разработка базовых элементов, технологий создания и применения орбиталь-
ных и наземных средств многофункциональной космической системы» на 2008–
2011 годы («Космос-НТ»). В ее рамках были созданы более чем 25 эксперимен-
тальных образцов космических средств и 18 экспериментальных наукоемких тех-
нологий в интересах космической отрасли Беларуси и России.
Завершена также совместная программа «Разработка нанотехнологий созда-
ния материалов, устройств и систем космической техники и их адаптация к дру-
гим отраслям техники и массовому производству» на 2009–2012 годы («Нанотех-
нология-СГ»).
Актуальность полученных результатов обусловлена необходимостью повыше-
ния устойчивости космических средств к факторам космического пространства,
потребностью в снижении их массогабаритных характеристик и удешевлении
производства элементной базы для применения в космической, а также в других
отраслях техники.
Необходимо в этой связи отметить только два важнейших направления даль-
нейшего российско-белорусского сотрудничества в сфере космических техноло-
гий и их применений.
Прежде всего, это разработка космических и наземных средств обеспечения
потребителей России и Беларуси информацией дистанционного зондирования
Земли, а также создание соответствующих центров предоставления космических
услуг. Эта задача занимает наиболее важную роль в интеграции космических
средств и технологий России и Беларуси. В ходе ее реализации будут обеспечены
возможности получения доступной и качественной космической информации
широким кругом потребителей, создание средств, технологий и программных
комплексов в интересах повышения надежности, работоспособности и живучес-
ти космических средств дистанционного зондирования Земли.
Второе направление относится к совместной разработке комплексных техно-
логий создания материалов, устройств и ключевых элементов космических
средств, целью которого является достижение существенного снижения массы и
габаритов КА, а также повышение надежности и сроков функционирования эле-
ментов, устройств и систем ракетно-космической техники, сокращение затрат на
их разработку и эксплуатацию.
В частности, это позволит создать и освоить в космической промышленности
комплексные технологии создания широкой номенклатуры элементов ракетно-
космической техники с повышенными эксплуатационными характеристиками, в
том числе:
• системы терморегулирования и электропитания;
• бортовые комплексы управления;
• широкую номенклатуру унифицированной ЭКБ КН;
• специальные узлы и элементы малогабаритных космических аппаратов;
• высоконадежные теплонапряженные узлы двигательных установок;
• наноэлектронные устройства сверхнизкого энергопотребления;
• функциональные наноструктурные сенсоры различного назначения и мно-
гое другое, что позволит повысить функциональные характеристики кос-
мических средств и их надежность в период ввода в строй и эксплуатации.
За последнее десятилетие в производстве российской ракетно-космической
техники произошли существенные изменения. Резко сократился объем производ-
ства, ряд серийных изделий сняты с производства, одновременно идет процесс
освоения новых высокотехнологичных изделий. При этом РКП в основном со-
хранила существовавшие ранее организационно-технологическую структуру пред-
приятий, парк технологического оборудования и оснащения, принципы техно-
логической подготовки производства.
Государственная политика по развитию и технологической модернизации ра-
кетно-космической промышленности России реализуется в соответствии со
«Стратегией развития ракетно-космической промышленности на период до
2015 года» по следующим целевым программам [4, 5, 6]:
• Федеральная космическая программа России на 2006–2015 годы (ФКПР-2015);
• ФЦП «Глобальная навигационная система» на 2002–2011 годы (ФЦП
«ГЛОНАСС»);
• ФЦП «Развитие оборонно-промышленного комплекса РФ на 2007–2010
годы и на период до 2015 года» (ФЦП «Развитие ОПК-2015»);
• ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы, а также в
проектах:
• ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии РФ» на 2007–2010 годы;
• ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на
2008–2015 годы.
Следует отметить, что успех любых космических, в том числе и военных про-
грамм напрямую зависит от номенклатуры, функциональных возможностей и
качества элементной базы, составляющей основу любой современной аппарату-
ры как общего, так и специального назначения.
Космическая микроэлектроника как самостоятельное направление научно-
технического процесса включает в себя целый комплекс взаимосвязанных направ-
лений – от исследований свойств новых материалов и физических механизмов
применения параметров микросхем в условиях их работы в космосе, до разработ-
ки новых технологий и методов проектирования микросхем, специальных мето-
дов повышения их помехоустойчивости, надежности, устойчивости к ионизиру-
ющим воздействиям, снижения статического и динамического энергопотребле-
ния при существенном возрастании как плотности упаковки кристаллов, так и их
рабочих (тактовых) частот.
Приоритетными направлениями государственной политики РФ в этой обла-
сти являются следующие.
1. Создание космических комплексов и систем нового поколения с технически-
ми характеристиками, обеспечивающими их высокую конкурентоспособность на
мировом рынке, в том числе:
• развитие современных средств выведения, модернизация действующих ра-
кет-носителей и разработка новых ракет-носителей и разгонных блоков;
• создание ракеты-носителя среднего класса для выведения пилотируемого
космического корабля нового поколения, космических спутников с увели-
ченным сроком активного существования;
• подготовка к реализации прорывных проектов в области космических тех-
нологий и исследований космического пространства.
2. Завершение создания и развитие системы ГЛОНАСС, в частности:
• развертывание спутниковой группировки на базе аппаратов нового поко-
ления с длительным сроком активного существования (не менее 12 лет) и
повышенными техническими характеристиками;
36 Глава 1. Современные космические аппараты
• создание наземного комплекса управления и создание оборудования для
конечных пользователей, его продвижение на мировой рынок, обеспече-
ние сопряженности аппаратуры ГЛОНАСС и GPS.
3. Развитие спутниковой группировки, в том числе создание группировки спут-
ников связи, обеспечивающих рост использования всех видов связи – фиксиро-
ванной, подвижной, персональной (на всей территории Российской Федерации);
создание группировки метеорологических спутников, способных передавать ин-
формацию в реальном масштабе времени.
В долгосрочной перспективе интересы поддержания высокой конкурентос-
пособности на рынке передачи информации потребуют качественного скачка в
повышения интервала «конкурентного существования» спутников связи. Это
может быть достигнуто только путем создания технологий производства «много-
разовых» спутников связи, т.е. таких, которые будут изначально проектироваться
и создаваться с возможностью их обслуживания, заправки ракетным топливом,
ремонта и модернизации непосредственно на орбите. В итоге такого технологи-
ческого развития планируется появление к 2025 году массивных орбитальных
платформ, на которых будет размещаться различная целевая аппаратура и дру-
гое оборудование, в том числе энергетическое, допускающее обслуживание или
замену.
4. Расширение присутствия России на мировом космическом рынке, в том числе:
• удержание лидирующих позиций на традиционных рынках космических
услуг (коммерческие пуски – до 30%);
• расширение присутствия на рынке производства коммерческих космичес-
ких аппаратов;
• расширение продвижения на внешние рынки отдельных компонент ракет-
но-космической техники и соответствующих технологий;
• выход на высокотехнологические сектора мирового рынка (производство
наземной аппаратуры спутниковой связи и навигации, дистанционное зон-
дирование земли);
• создание и модернизация системы российского сегмента международной
космической станции (МКС).
5. Модернизация наземной космической инфраструктуры и технологического
уровня ракетно-космической промышленности, в частности:
• техническое и технологическое перевооружение предприятий отрасли, вне-
дрение новых технологий, оптимизация технологической структуры отрасли;
• развитие системы космодромов, оснащение новым оборудованием назем-
ных средств управления, систем связи, экспериментальной и производ-
ственной базы ракетно-космической промышленности.
Государственной программой развития ракетно-космического комплекса РФ
на период до 2025 г. предусмотрено первоочередное развитие следующих техно-
логических направлений:
• космические системы навигации;
• космические системы ретрансляции информации;
• гидрометеорологические космические средства;
• космические средства дистанционного зондирования Земли;
• спутниковые системы связи и вещания;
• космические средства геодезического и картографического обеспечения;
• космические средства связи и боевого управления;
• космические средства предупреждения о ракетном нападении;
• космические средства радиоэлектронной разведки;
• космические комплексы оптикоэлектронного наблюдения;
• космические средства многоцелевого радиолокационного наблюдения;
• космические средства наблюдения за морскими акваториями.
Решение одной из основных проблем, оказывающих негативное влияние на
реализацию программ развития отечественной ракетно-космической техники, ее
обеспечение современной радиационно-стойкой электронной компонентной ба-
зой предусматривается за счет реализации (при координирующей роли Минпром-
торга России) мероприятий в рамках федеральной целевой программы по разви-
тию радиоэлектронной промышленности.
Независимый доступ в космическое пространство предусматривается обес-
печить за счет развития и использования космодрома «Плесецк», аренды космод-
рома «Байконур» и строительства нового отечественного космодрома «Восточ-
ный», создаваемого во исполнение Указа Президента Российской Федерации от 6
ноября 2007 г. «О космодроме «Восточный».
В результате реализации государственной программы должны быть:
• создан и принят в эксплуатацию космический ракетный комплекс «Анга-
ра-А5», модернизированы объекты и обеспечена эффективная эксплуата-
ция космодромов «Плесецк» и «Байконур»;
• созданы первая (2015 год) и вторая (2018 год) очереди объектов нового рос-
сийского космодрома «Восточный»;
• развернута орбитальная группировка космических аппаратов в интересах
удовлетворения государственных нужд в количестве: 95 космических аппа-
ратов в 2015 году, 113 космических аппаратов в 2020 году, в том числе раз-
вернутый российский сегмент Международной космической станции в со-
ставе 6 модулей – в 2015 году, 7 модулей в 2018 году;
• обеспечен необходимый состав орбитальной группировки системы ГЛО-
НАСС, обновленный космическими аппаратами «Глонасс-К» с расширен-
ными функциональными возможностями. К 2015 году система будет обес-
печивать точность определения местоположения потребителями порядка
1,4 м, а к 2020 году – около 0,6 м;
• создан научно-технический задел по перспективным образцам ракетно-
космической техники, в том числе обеспечена в 2018 году готовность транс-
портно-энергетического модуля с перспективной двигательной установкой
к летно-конструкторским испытаниям;
• разработаны новые конкурентоспособные производственные технологии,
технологии спутниковой связи, дистанционного зондирования Земли, на-
вигационного обеспечения, поиска и спасания терпящих бедствие, мони-
торинга чрезвычайных ситуаций, слежения и мониторинга подвижных
объектов с использованием космической автоматической идентификаци-
онной системы и персональных радиобуев.
В области фундаментальных космических исследований будут реализованы
проекты, которые позволят преодолеть сложившееся отставание от ведущих кос-
мических держав в этой области и обеспечить выход российской науки на веду-
щие позиции в основных направлениях наук о космосе, а в долгосрочной перс-
пективе – стать одним из мировых лидеров в исследованиях Вселенной. В част-
ности, планируется:
• создание трех космических обсерваторий – «Спектр-УФ», «Спектр-М»
(«Миллиметрон») и «Гамма-400» для проведения исследований астрофизи-
ческих объектов в различных диапазонах электромагнитного спектра и гам-
ма-излучения в диапазоне высоких энергий;
• развертывание программы по углубленному изучению Луны – осуществле-
ние миссий орбитального аппарата «Луна-Глоб», посадочных аппаратов
«Луна-Ресурс» (этапы 1 и 2), а также миссии по доставке на Землю образ-
цов лунного грунта для детального изучения;
• развитие целого класса новых технологий – технологий межпланетных по-
летов и напланетной деятельности человека;
• создание перспективной пилотируемой транспортной системы, способной
обеспечить полеты человека к Луне.
К результатам государственной программы, способствующим расширению
спектра предоставляемых услуг к 2020 году, относятся:
в части космических средств связи, вещания и ретрансляции –
• создание полномасштабной многофункциональной космической системы
ретрансляции, что позволит повысить эффективность использования оте-
чественных низкоорбитальных космических аппаратов дистанционного
зондирования Земли, средств выведения и российского сегмента Между-
народной космической станции;
• наращивание орбитальной группировки систем фиксированной связи, под-
вижной президентской связи и телерадиовещания космическими аппара-
тами нового поколения до 39 аппаратов, что позволит осуществлять предо-
ставление указанных услуг связи практически на всей территории Россий-
ской Федерации, включая Арктический регион;
в части средств дистанционного зондирования Земли и гидрометеорологического
наблюдения –
• увеличение до 24 космических аппаратов орбитальной группировки за счет
развертывания принципиально новых космических систем, предназначен-
ных для решения задач картографии, контроля состояния природной сре-
ды, оперативного мониторинга чрезвычайных ситуаций, инвентаризации
природных ресурсов, обеспечения рационального ведения сельскохозяй-
ственной, водной и других видов деятельности, мониторинга Арктическо-
го региона.
Успешное выполнение мероприятий государственной программы будет спо-
собствовать развитию и использованию отечественной космической техники в
интересах социально-экономической сферы, расширению присутствия России на
мировом космическом рынке, решению амбициозных задач исследования и ос-
воения космического пространства, обеспечению гарантированного доступа Рос-
сии в космическое пространство со своей территории, сохранению ведущих по-
зиций в пилотируемых полетах [7].
1.2. Классификация современных космических аппаратов
Космический аппарат (КА) – общее название технических устройств, используе-
мых для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве, а также
проведения исследовательских и иного рода работ вблизи или на поверхности
различных небесных тел. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту
служат ракеты-носители или ракетоносители (РН).
Космический аппарат, одной из основных задач которого является транспор-
тировка людей или оборудования в верхней части земной атмосферы – так назы-
ваемом ближнем космосе, называют космическим кораблем (КК) или космичес-
ким летательным аппаратом (КЛА).
В зависимости от областей использования КА подразделяются на:
• суборбитальные;
• околоземные орбитальные, движущиеся по геоцентрическим орбитам ис-
кусственных спутников Земли;
• межпланетные (экспедиционные);
• напланетные (луноходы, марсоходы и пр.).
Принято различать автоматические спутники (ИСЗ) Земли и пилотируемые
космические аппараты. К пилотируемым космическим аппаратам, в частности,
относят все виды пилотируемых космических кораблей (КК) и орбитальных кос-
мических станций (ОС). Несмотря на то, что современные орбитальные станции
совершают свой полет в области ближнего космоса и формально могут называть-
ся космическими летательными аппаратами, в сложившейся традиции их назы-
вают космическими аппаратами.
Название «космический летательный аппарат» иногда также используется для
обозначения активных (то есть маневрирующих) ИСЗ с целью подчеркивания их
отличий от пассивных спутников. В большинстве же случаев значения терминов
«Космический летательный аппарат» и «космический аппарат» синонимичны и
взаимозаменяемы.
В активно исследуемых в последнее время проектах создания орбитально-ги-
перзвуковых летательных аппаратов как частей авиационно-космических систем
(АКС) часто используют еще названия «воздушно"космический аппарат» (ВКА),
обозначая космопланы и космолеты АКС, предназначенные для выполнения уп-
равляемого полета как в безвоздушном космическом пространстве, так и в плот-
ной атмосфере Земли.
В то время как стран, имеющих ИСЗ, несколько десятков, наиболее сложные
технологии автоматических возвращаемых и межпланетных КА освоили всего
несколько стран – СССР/Россия, США, Китай, Япония, Индия, Европа/ESA.
Пилотируемые КК имеют только первые три из них (кроме того, Япония и Евро-
па имеют КА, посещаемые людьми на орбите, в виде модулей и грузовиков МКС).
Также только первые три из них имеют технологии перехвата ИСЗ на орбите (хотя
Япония и Европа близки к ней ввиду проведения стыковок).
Еще типы КА различают в зависимости от их режимов работы, выполняемых
функций, по наличию функции возвращения на Землю, в зависимости от их мас-
сы, по типу управления, по типу двигательной установки, для ближнего или даль-
него космоса.
По режиму работы различают следующие типы космических аппаратов:
• искусственные спутники Земли – общее название всех аппаратов, находя-
щихся на геоцентрической орбите (вращающихся вокруг Земли);
• автоматические межпланетные станции (или космические зонды) – аппа-
раты, осуществляющие перелет между Землей и другими космическими
телами Солнечной системы; при этом они могут как выходить на орбиту
вокруг изучаемого тела, так и исследовать их с пролетных траекторий, не-
которые аппараты после этого направляются за пределы Солнечной сис-
темы;
• космические корабли, автоматические или пилотируемые, используются для
доставки грузов и человека на орбиту Земли; существуют планы полетов на
орбиты других планет;
• орбитальные станции – аппараты, предназначенные для долговременного
пребывания и работы людей на орбите Земли;
• спускаемые аппараты – используются для доставки людей и материалов с
орбиты вокруг планеты или межпланетной траектории на поверхность пла-
неты;
• планетоходы – автоматические лабораторные комплексы или транспорт-
ные средства, для перемещения по поверхности планеты и другого небес-
ного тела.
По наличию функции возвращения КА подразделяются на две группы:
• возвращаемые – предусматривают возвращения людей и материалов на
Землю, осуществляя мягкую либо жесткую посадку;
• невозвращаемые – при выработке ресурса обычно сходят с орбиты и сгора-
ют в атмосфере.
По выполняемым функциям выделяют следующие классы КА:
• метеорологические;
• навигационные;
• спутники связи, телевещания, телекоммуникационные спутники;
• научно-исследовательские;
• геофизические;
• геодезические;
• астрономические;
• дистанционного зондирования Земли;
• разведывательные и военные спутники;
• другие.
Следует отметить, что многие современные космические аппараты выполня-
ют сразу несколько функций.
По массовым характеристикам КА принято классифицировать следующим
образом:
• фемто- – до 100 г;
• пико- – до 1 кг;
• нано- – 1–10 кг;
• микро- – 10–100 кг;
• мини- – 100–500 кг;
• малые – 500–1000 кг;
• большие – более 1000 кг.
Следовательно, любой КА с весом больше 10 кг, но меньше 100 кг должен на-
зываться микроспутником, а КА с весом от 500 кг до одной тонны будет назы-
ваться малым космическим аппаратом.
По типу управления КА разделяют на автоматические и пилотируемые. По
типу используемых двигательных установок КА различают следующим образом:
КА с двигательными установками большой тяги, КУ с двигательными уста-
новками на ядерном топливе, КУ на двигательных установках на химическом (жид-
ком или твердом) топливе.
Различают КА по областям использования – ближнего и дальнего космоса.
КА для ближнего космоса: околоземные КА (ИСЗ, обсерватории, обитаемые
орбитальные станции). КА для дальнего космоса: межпланетные КА (спутники
планет, десантные, пролетные).
1.3. Конструкции и устройство
космических аппаратов
Первый в мире космический аппарат был запущен в СССР 4 октября 1957 г., пер-
вый пилотируемый космический аппарат-корабль «Восток-1» под управлением
гражданина СССР Ю.А. Гагарина – 12 апреля 1961 г. За прошедшие почти семь
десятилетий с момента первого космического старта (не считая двадцати преды-
дущих лет исследований и экспериментов) конструкции космических аппаратов
(КА) непрерывно совершенствовались. Значительный вклад в эволюцию конст-
рукций КА внесли так называемые «испытательные» космические аппараты, ко-
торые проектировались специально для проверки и отработки в реальных усло-
виях космического полета элементов конструкции, систем, узлов, агрегатов и бло-
ков, способов их оптимального применения, возможных путей их унификации.
Если в СССР в качестве автоматических испытательных КА широко использо-
вались различные модификации КА практически только одной серии «Космос», то
в США – целый ряд КА: «ATS», «GGTS», «0V», «Додж», «TTS», «SERT», «RW» и др.
Несмотря на большое многообразие конструкций КА, общим для всех уст-
ройств является наличие корпуса с набором различных конструктивных элемен-
тов (так называемое «обеспечивающее» оборудование) и специальная (целевая)
радиоэлектронная аппаратура [7].
Корпус КА является конструктивно-компоновочной основой для установки
и размещения всех его элементов и соответствующей аппаратуры. Например, для
автоматического КА обеспечивающее оборудование предусматривает наличие как
минимум следующих бортовых систем: ориентации и стабилизации, терморегу-
лирования, энергопитания, телеметрии, траекторных измерений, управления и
навигации, командно-программной, различных исполнительных органов и т.п.
На пилотируемых КА и космических станциях, кроме того, имеются системы
жизнеобеспечения, аварийного спасения и т.п.
В свою очередь, целевая аппаратура КА может быть оптической (оптико-элек-
тронной), фотографической, телевизионной, инфракрасной, радиолокационной,
радиотехнической, спектрометрической, рентгеновской, радиосвязи и ретранс-
ляции, радиотехнической, радиометрической, калориметрической и т.п. Более
детально описание этих систем приведено в следующем параграфе, но отметим,
что все эти системы (их структура, функции, конфигурация и т.п.), используют
самую современную ЭКБ.
Естественно, конфигурации КА зависят от их назначения и уже поэтому зна-
чительно различаются – это ракеты-носители (РН), осуществляющие выведение
КА на требуемые орбиты и траектории, разгонно-тормозные блоки КА, включа-
ющие маршевые и корректирующие двигатели, топливные отсеки, агрегаты и си-
стемы обслуживания (обеспечивают переход КА с низкой орбиты на более высо-
кую или межпланетную, осуществляют обратные переходы – с высокой орбиты
на низкую, коррекцию траекторных параметров и т.д.).
С конструкцией КА неразрывно связано понятие «компоновка» КА – наибо-
лее рациональное и максимально плотное пространственное размещение состав-
ляющих элементов. При этом различают внутреннюю и внешнюю (аэродинами-
ческую) компоновку КА [7].
Задача разработки конструкции конкретного КА является достаточно слож-
ной, поскольку необходимо учитывать очень много факторов, зачастую противо-
речащих друг другу. Например, необходимо обеспечивать минимальное количе-
ство связей КА с наземным комплексом (особенно это касается РН), безопас-
ность и комфортность экипажа (для пилотируемых КА), безопасную эксплуата-
цию и обслуживание на стартовой позиции и в полете, обеспечение заданных
параметров устойчивости, управляемости, тепловых режимов и аэродинамичес-
ких характеристик работы КА и многое другое [8, 9].
Задача конструкторов КА усложняется тем, что критерием оптимальности их
решения является не только минимизация массы КА, но и его стоимости и сро-
ков создания при гарантированном обеспечении параметров надежности, много-
функциональности и др.
На нижеследующих рисунках представлена эволюция типовых конструкций
различных КА.
Так, на рис. 1.2 представлен внешний вид первого космического аппарата Зем-
ли «Восток-1», поднявшего первого человека на околоземную орбиту.
Как известно, стартовавший с Байконура корабль выполнил всего лишь один
(на зато первый в истории человечества) оборот вокруг планеты Земля, причем
полет проходил полностью в автоматическом режиме, при котором первый кос-
монавт Земли был как бы «пассажиром», готовым в любой момент переключить
управление на себя. Хотя реально по нашей классификации это был не «пилоти-
руемый» полет, а полет полностью в автоматическом режиме, но это как раз тот
случай, когда классификация не всегда правильно отражает суть происходящего
процесса (явления, события).
На рис. 1.3 представлен общий вид конструкции одного из первых (1977 г.)
КА дальнего проникновения (так называемый «космический зонд») серии Voyager
(наиболее известные КА – Voyager-1 и Voyager-2). По некоторым литературным
источникам, этот 723-килограммовый автоматический зонд, запущенный 5 сен-
тября 1977 г. и предназначенный для исследований Солнечной системы и ее бли-
жайших окрестностей, к удивлению его создателей до сих пор находится в нор-
мальном рабочем состоянии и в связи с этим обстоятельством выполняет даже
новую (дополнительную) миссию – по определению местонахождения границ
Солнечной системы, включая «пояс Койпера» (Пояс астероидов), хотя по замыс-
лу разработчиков его первоначальная основная миссия заключалась лишь в ис-
следовании двух планет – Юпитера и Сатурна (он был первым зондом, сделав-
шим детальные снимки всех спутников этих планет).
Такое длительное активное существование КА обусловлено прежде всего оп-
тимальными принятыми инженерными решениями при создании электронной
бортовой аппаратуры, грамотным выбором соответствующей ЭКБ для комплек-
тации его бортовых систем.
На рис. 1.4 представлен общий вид конструкции автоматической межпланет-
ной станции НАСА (США), предназначенной для изучения Плутона и его есте-
ственного спутника Харона. Миссия предусматривает, кроме изучения Плутона
и его спутника, достижение к 2015 году орбиты Плутона и изучение Пояса асте-
роидов («пояса Койпера»).
Как видно из сравнения рис. 1.3 и 1.4, общий вид конструкций различных КА
внешне примерно одинаков, но при рассмотрении деталей и конструктивных эле-
ментов становится очевидным их различие, связанное с различным функциональ-
ным назначением. Причем если унификация конструктивных решений КА имеет
свои ограничения, то унификация технических решений электронных бортовых
систем является жизненно важной задачей, одним из условий успешного реше-
ния которой является унификация номенклатуры и технических характеристик
используемой ЭКБ. К сожалению, отечественным разработчикам РКТ эту задачу
до сих пор решить не удалось.
На рис. 1.5 на фоне «колец Сатурна» представлен общий вид конструкции
другого межпланетного зонда Cassini-Huygens, предназначенного для исследова-
ний сразу двух планет Солнечной системы – Сатурна (его «колец» и спутников) и
Титана.
В отличие от предыдущих КА, разработанных Россией и США, этот КА явля-
ется первым плодом глобализации в космической отрасли – объединения усилий
сразу нескольких космических держав и организаций – США (НАСА), Европей-
ского космического агентства и Итальянского космического агентства.
На рис. 1.4 представлен общий вид конструкции автоматической межпланет-
ной станции НАСА (США), предназначенной для изучения Плутона и его есте-
ственного спутника Харона. Миссия предусматривает, кроме изучения Плутона
и его спутника, достижение к 2015 году орбиты Плутона и изучение Пояса асте-
роидов («пояса Койпера»).
Как видно из сравнения рис. 1.3 и 1.4, общий вид конструкций различных КА
внешне примерно одинаков, но при рассмотрении деталей и конструктивных эле-
ментов становится очевидным их различие, связанное с различным функциональ-
ным назначением. Причем если унификация конструктивных решений КА имеет
свои ограничения, то унификация технических решений электронных бортовых
систем является жизненно важной задачей, одним из условий успешного реше-
ния которой является унификация номенклатуры и технических характеристик
используемой ЭКБ. К сожалению, отечественным разработчикам РКТ эту задачу
до сих пор решить не удалось.
На рис. 1.5 на фоне «колец Сатурна» представлен общий вид конструкции
другого межпланетного зонда Cassini-Huygens, предназначенного для исследова-
ний сразу двух планет Солнечной системы – Сатурна (его «колец» и спутников) и
Титана.
В отличие от предыдущих КА, разработанных Россией и США, этот КА явля-
ется первым плодом глобализации в космической отрасли – объединения усилий
сразу нескольких космических держав и организаций – США (НАСА), Европей-
ского космического агентства и Итальянского космического агентства.
И, наконец, следует сказать несколько слов о наиболее сложных межпла-
нетных КА – пилотируемых межпланетных кораблях с посадочными возвраща-
ющимися модулями, при проектировании которых в максимальной степени ана-
лизировались и использовались все полученные ранее знания, опыт, последние
достижения микроэлектроники, космического аппаратостроения, материало-
ведения, космической психологии и др.
На рис. 1.6 представлена сделанная непосредственно после посадки на Луну в
далеком 1969 году фотография одного из целой серии межпланетных КА США
«Апполон» («Апполон-11»). Опять же, его конструкция и внутренне устройство
отличаются от всех вышеописанных КА в силу конкретного целевого назначения
и выполняемых функций.
Вот вошедшие уже в историю факты – командир экипажа легендарный Нил
Амстронг и пилот Эдвин Ондрин оставались на поверхности Луны в специаль-
ном КА «Лунном модуле» в течение 21 часа 36 минут и 21 секунды. Все это время
пилот второго КА «командного модуля» Майкл Коллинз ожидал их на так назы-
ваемой окололунной орбите, поддерживая постоянную радио-видеосвязь как с
ними, так и наземным центром управления полетом. Астронавты (к нашему со-
жалению, не космонавты) совершили один первый выход на поверхность Луны,
который продлился долгих 2 часа 31 минуту, 40 секунд, после чего они успешно
(почти успешно) вернулись в лунный модуль и успешно стартовали с поверхнос-
ти Луны, а затем не менее успешно (по плану) стыковались с командным модулем
и успешно вернулись на родную землю.
Безусловно, успех этой исторической миссии был обусловлен как использо-
ванием новейших достижений в области промышленных технологий, материало-
ведения, конструкторских решений, информационно-коммуникационных техно-
логий, так и правильным выбором состава ЭКБ КН категории «Спейс» при со-
здании различной бортовой аппаратуры командного и лунного модулей.
Хотя данная книга носит сугубо технический характер, для понимания роли и
места микроэлектронных технологий в космическом приборостроении необхо-
димо провести известный только узкому кругу специалистов один из многих не-
приятных эпизодов, которые могли фактический грандиозный триумф превра-
тить в катастрофу миссии.
Как известно, габариты помещений на обитаемых КА данного типа жестко
ограничены, это касается и командных, и лунных модулей данной экспедиции.
Возвратившись с поверхности Луны после исторической мисси в лунный модуль
в громоздких космических скафандрах, последний входивший член лунной экс-
педиции при закрытии входного люка случайно повредил (отломал) небольшой
пластиковый рычажок, расположенный рядом с этим люком. Рычажок имел все-
го два положения – «вверх» и «вниз». Его одна, но жизненно важная функция –
управление запуском стартового двигателя лунного модуля: положение «вниз»
означало «спящий режим», положение «вверх» – означало «старт» (включение
автоматической системы управления процессом старта с поверхности Луны).
Поскольку рычажок сломался в положении «вниз», чтобы перевести механи-
ческие металлизированные контакты в положение, эквивалентное «вверх», аст-
ронавтам, а также всем обеспечивающим полет службам пришлось пережить бо-
лее тридцати крайне неприятных минут.
Кажущуюся анекдотичность ситуации характеризирует следующий факт –
после доклада ситуации командиром экипажа астронавту, находящемуся в коман-
дном модуле и его передачи описания ситуации в наземный центр управления
НАСА, после пятиминутного всеобщего замешательства оттуда последовала пер-
вая «ценная» рекомендация одной из многочисленных групп экспертов, всегда
присутствующих в ЦУПах: «Возьмите стержень от шариковой ручки и его острой
(пишущей) частью механически переместите «ползунок» контакта «вверх». Дей-
ствительно здравая практическая рекомендация, но для земных условий, а где взять
шариковую ручку на Луне? Но одной из отличительных психологических особен-
ностей как наших космонавтов, так и американских астронавтов, является нео-
рдинарность мышления (есть даже специальные тесты, по которым бракуются от
10 до 15 процентов кандидатов в космонавты (астронавты), у которых все другие
параметры полностью соответствуют требованиям).
«Замурованные» в лунном модуле астронавты нашли и использовали острый и
тонкий эквивалент стержня шариковой ручки, после чего стартовый двигатель сра-
ботал штатно, и вся цепь мероприятий по стыковке с командным модулем и последу-
ющим триумфальным возвращением астронавтов на Землю прошла штатно.
В итоге принципиальному инженеру, настойчиво предлагавшему заменить этот
механический переключатель на микроэлектронный сенсорный MEMS-ключ, ру-
ководство НАСА в суточный срок в порядке компенсации выделило премию в
размере оклада и месячную оплаченную путевку для отдыха на Канарских остро-
вах (подальше от журналистов), а в конструкцию аналогичных переключателей
были введены соответствующие изменения, базирующиеся опять же на достиже-
ниях микроэлектронных технологий.
По результатам последующего детального разбора полета непосредственного
руководителя этого инженера по-тихому уволили из НАСА с «белым билетом».
Таким образом, можно сделать следующие общие выводы – устройство конк-
ретного КА определяется прежде всего его целевым назначением, но основой орга-
низации всех бортовых электронных систем является современная микроэлект-
ронная элементная база, которая должна полностью удовлетворять целому ряду
специфических требований, которые будут изложены в последующих главах этой
книги.
На рис. 1.8 представлены в общем виде основные области применения мик-
роэлектронной ЭКР в КА. Здесь в правой части рисунка перечислены основные
функции, которые должны выполнять бортовые системы КА – накопление и хра-
нение данных, обработка информации и генерация соответствующих команд,
интерфейс с экипажем наземных служб, управление различными исполнитель-
ными механизмами, организация электропитания, операции преобразования из-
меряемых величин в аналоговые электрические сигналы и, наоборот, первичная
обработка сигналов и др.
В левой части рисунка представлены конкретные направления (классы)
ЭКБ, предназначенной для обеспечения реализации этих функций – датчики,
операционные усилители, интерфейсные микросхемы, драйверы, схемы си-
ловой электроники, стандартные логические микросхемы, цифровые и анало-
говые микросхемы, стабилизаторы напряжений, солнечные элементы (бата-
реи) и пр.
1.4. Бортовые системы космических аппаратов
1.4.1. Классификация бортовых систем космических аппаратов
Для обеспечения жизнеспособности разнообразных уже эксплуатируемых и только
еще проектируемых космических аппаратов (КА) и выполнения ими целевых про-
грамм необходимо решить достаточно широкий круг общих задач, присущих всем
типам КА. В числе этих задач следующие [13]:
• обеспечение обмена информацией с наземным комплексом управления (НКУ);
• обеспечение снабжения аппарата электроэнергией;
• распределение электропитания на КА между потребителями;
• сбор, хранение, обработка и передача телеметрической информации;
• управление работой систем и оборудования КА в соответствии с програм-
мой полета КА и с учетом его реального состояния;
• поддержание требуемого теплового режима на КА;
• определение и поддержание ориентации КА в пространстве;
• обеспечение движения КА в пространстве (перемещение его центра масс);
• обеспечение углового движения КА в пространстве (перемещения вокруг
центра масс);
• определение и прогнозирование местоположения КА на орбите;
• управление вращающимися солнечными батареями (при их наличии).
При проектировании первых КА каждая задача решалась автономно – исполь-
зовалась отдельная специализированная система, содержащая свою сенсорную ап-
паратуру, свои исполнительные органы и соответствующим образом запрограмми-
рованную автоматику управления. С усложнением внутреннего устройства КА и
увеличением числа решаемых ими задач появилась необходимость в централиза-
ции устройств управления и контроля за работой бортовых систем КА, прежде все-
го, в части рационального расходования и пополнения энергоресурсов, приори-
тетности и времени выполнения полетных и регламентных операций, автономного
реагирования на нештатные ситуации на основе результатов оперативной диагнос-
тики и тестирования бортовой аппаратуры и др. Разработка и внедрение на КА вы-
числительных средств с развитым программным обеспечением (ПО) позволили, в
принципе, решить эту проблему. По аналогии с наземным комплексом управления
(НКУ) появилось понятие бортового комплекса управления (БКУ), объединяюще-
го в себе все основные бортовые системы КА и включающего в себя также борто-
вую вычислительную систему, систему управления движением и навигацией, сис-
тему управления бортовой аппаратурой, бортовую аппаратуру служебного канала
управления, систему бортовых измерений, а также соответствующее программное
обеспечение БКУ, главного интеграционного звена БКУ.
Для более детального рассмотрения принципов построения БКУ автомати-
ческих КА с целевой направленностью (связные спутники, КА наблюдения учас-
тков звездного пространства, космические аппараты зондирования Земли) пере-
числим эти основные бортовые системы (рис. 1.9) [13]:
• бортовая вычислительная система в виде совокупности вычислительных
средств и устройств сопряжения (интерфейсов и адаптеров связи), обеспе-
чивающая информационное взаимодействие с бортовыми абонентами и
предоставляющая свои вычислительные ресурсы для решения задач управ-
ления системами КА и задач контроля их работы;
• система управления движением и навигации (иначе – система ориентации
и управления движением), предназначенная для управления движением КА
как материальной точки (перемещением центра масс), так и для управле-
ния угловым движением КА (движением вокруг центра масс);
• система управления бортовой аппаратурой, выполняющая функции ком-
мутации электропитания, усиления и преобразования электрических сиг-
налов, а также выдачи команд управления в системы и приборы КА в соот-
ветствии с временными или логическими условиями;
• система бортовых измерений, предназначенная для сбора, обработки и пе-
редачи в НКУ телеметрической информации о результатах измерений, ха-
рактеризующих состояние систем КА и протекающие на КА процессы;
• бортовая аппаратура служебного канала управления или командной радио-
линии, представляющая собой радиотехнический комплекс для обеспече-
ния своевременного обмена служебной информацией между НКУ и БКУ;
• объединенная двигательная установка, состоящая из комплекта двигателей
для обеспечения перемещения КА относительно орбиты и углового движе-
ния КА;
• система обеспечения определенного теплового режима внутри КА;
• система энергоснабжения (СЭС) для преобразования первичной (солнеч-
ной) энергии в электрическую.
В некоторых классах КА в качестве отдельной структурной единицы рассмат-
ривается бортовая кабельная сеть.
Внедрение на КА вычислительных средств и новых конструктивно-техноло-
гических решений, применение современной элементной базы и средств комп-
лексирования ПО позволили создать основу для построения интегрированных
БКУ. Возможность оперативного контроля состояния систем КА и «умного» вы-
полнения программы полета КА с учетом внешней обстановки, текущего статуса
бортовых систем и имеющихся на текущий момент времени ресурсов позволила
перенести многообразные функции контроля и управления КА в БВС, точнее – в
ее ПО. Тенденция концентрации этих функций в бортовой вычислительной сис-
теме (ПО БКУ) продолжает усиливаться по мере развития программных и аппа-
ратных средств. Программное обеспечение сформировалось как отдельный (и один
из самых главных) компонент БКУ (рис. 1.10). Программное обеспечение БКУ
построено по иерархическому принципу [13]:
• первый, или нижний уровень составляют драйверы обмена с аппаратурой и
программы организации вычислительного процесса;
• второй уровень составляют программы обеспечения управления и контро-
ля работы бортовых приборов и оборудования;
• программы третьего уровня включают в себя программы обеспечения по-
летных режимов бортовых систем и расчетные программы;
• четвертый, или верхний уровень составляют программы планирования и
организации режимов работы всего БКУ и контроль состояния систем КА.
Архитектура ПО БКУ подразделяет все программы на служебные (диспетчер,
обмен, управление конфигурацией БВС, таймирование и др.) и функциональные
(программы включения/выключения конкретных приборов, программы расчета
различной подготовительной и сопроводительной информации, программы фор-
мирования управляющих воздействий на отдельные приборы и т. п.). Каждая про-
грамма (программный модуль) имеет свои настроечные параметры и логико-ин-
формационные связи с другими программами. Построение ПО БКУ предполага-
ет детерминированное циркулирование обменной информации между програм-
мами всех уровней, причем управляющая информация поступает сверху вниз (от
программ верхних уровней до программ нижних уровней), а контрольно-диагно-
стическая информация – снизу вверх. Для обеспечения функционирования ПО
БКУ в реальном масштабе времени каждой программе определяются последова-
тельность и конкретное время подключения на вычислительном такте бортового
компьютера, а также ее вычислительные ресурсы.
Интеграционный характер ПО БКУ позволяет выполнять, кроме функций
контроля и управления, и другие важные функции и задачи, как, например:
• задачи повиткового планирования полета КА;
• задачи оптимизации расхода бортовых ресурсов;
• функции обеспечения автономности существования КА;
• функции оперативного реагирования на многие нештатные ситуации.
Получение цифровой информации от бортовых систем (напрямую или через
СБИ), обмен информацией с НКУ (через БА СКУ), обработка и использование
полученной информации в вычислительных задачах, реализованных в ПО, – все
это выдвинуло БВС и ПО БКУ на главенствующее место в бортовом комплексе
управления. Системы БА СКУ и СБИ в такой конфигурации являются неотъемле-
мой частью БКУ как источники циркулирующей на КА информации и необходи-
мые звенья, поддерживающие информационно-логические интерфейсы. Следует
отметить, что здесь имеются связи между БВС, БА СКУ и СБИ как физические
(проводные, через бортовую кабельную сеть и интерфейсные устройства сопряже-
ния), так и «виртуальные» (информационные, через каналы информационного об-
мена).
Неотъемлемой и основной частью БКУ следует считать и систему управления
бортовой аппаратурой. Две важные функции СУБА носят интеграционный ха-
рактер и являются прерогативой БКУ [13]:
• обеспечение физического (проводного) интерфейса с системами и обору-
дованием КА и управление ими путем формирования соответствующих
команд и сигналов.
• обеспечение всех бортовых потребителей электропитанием.
Все остальные из вышеперечисленных систем решают свои конкретные зада-
чи, жизненно важные для КА, но не являющиеся интеграционными с точки зре-
ния структурного построения БКУ. Из этих систем особо выделим СУДН, часто
включаемую разработчиками КА в состав БКУ благодаря следующим аспектам:
• задачи СУДН (ориентация, стабилизация, наведение КА для решения це-
левых задач и т.д.) – важнейшие и первоочередные;
• данная система (как и СУБА) – одна из первых бортовых систем, она про-
ектировалась и разрабатывалась уже для первых КА;
• программы управления СУДН тесно привязаны к программам управления
других систем и программам верхнего уровня ПО БКУ и др.
В состав СУДН включены чувствительные элементы в виде оптико-спектраль-
ных датчиков и датчиков угловых скоростей, преобразующие устройства и блоки
формирования управляющих сигналов, а также исполнительные органы в виде
силовых гироприборов (например, маховиков или гиродинов). Исполнительны-
ми органами СУДН служат также двигатели двигательной установки. Состав ап-
паратуры СУДН может дополняться различными навигационными приборами и
аппаратурой спутниковой навигации.
Например, основой построения СУДН разработки РКК «Энергия» является
корректируемая бесплатформенная инерциальная навигационная система, позво-
ляющая в реальном масштабе времени определять текущее положение связанных
осей КА относительно инерциальной системы координат путем интегрирования
составляющих абсолютной угловой скорости (рис. 1.11) [13].
Функционирование СУДН обеспечивается работой трех контуров управления:
• навигационный контур позволяет определять (прогнозировать) в реальном
масштабе времени с заданной точностью местоположение КА на орбите по
начальным условиям, определяемым в НКУ или в бортовой навигационной
аппаратуре с использованием расчетных гравитационных и магнитных мо-
делей Земли и информации от бортовых навигационных датчиков КА;
• кинематический контур управления ориентацией позволяет определять уг-
ловое рассогласование приборного базиса СУДН с неким опорным бази-
сом, задаваемым режимом ориентации; кроме того, кинематический кон-
тур уточняет (корректирует) данный опорный базис;
• динамический контур управления ориентацией позволяет совмещать с за-
данной точностью связанный базис КА с опорным базисом; кроме того ди-
намический контур обеспечивает стабилизацию КА в процессе коррекции
орбиты и других динамических операций.
К служебным системам автоматических КА рассматриваемого класса предъяв-
ляются сходные по своему составу требования, обусловленные полезной нагруз-
кой (или БЦК) к служебным системам этих аппаратов. В головных предприятиях
космической отрасли наметилась положительная тенденция разработки универ-
сальных космических платформ (УКП), единых для различных типов автомати-
ческих КА. Интеграция готовой УКП с новым БЦК путем преемственности сис-
тем и приборов УКП и минимизации этапов проектирования и наземной отра-
ботки позволяет существенно сократить сроки создания новых КА и финансовые
затраты при сохранении показателей качества и надежности.
Степень преемственности существующей космической платформы к примене-
нию на КА с новой целевой аппаратурой определяется исходя из характеристик
этой аппаратуры и состава требований к УКП, ее обусловленных. Основные характе-
ристики БЦК: энергопотребление, масса, количество фидеров питания, тип ин-
терфейсов и др. В число задач, определяемых условиями работы БЦК, включаются:
• обеспечение точности ориентации и стабилизации КА при работе БЦК;
• обеспечение точности наведения и ее оценка;
• обеспечение заданных параметров рабочей орбиты и длительности эксплу-
атации КА;
• выполнение заданных режимов работы БЦК и др.
В такой схеме БКУ рассматривается как ядро УКП [13]. Другими словами,
БКУ является совокупностью основных служебных систем и бортового ПО, обес-
печивающей интеграцию систем УКП при реализации функциональных задач КА
на программно-логическом и физическом уровнях через соответствующие интерОсновные задачи
БКУ:
• сбор, первичная обработка, хранение и телеметрирование информации опе-
ративного контроля, а также ее использование в задачах управления УКП;
• организация информационно-командного взаимодействия с БЦК;
• координированное управление функционированием УКП и КА в целом при
наземной отработке КА и штатном выполнении программы полета в авто-
матическом режиме и по информации от НКУ;
• диагностика состояния УКП и ее систем, обнаружение, локализация и па-
рирование расчетных нештатных ситуаций в автоматическом режиме.
Решение бортовым комплексом управления перечисленных задач сопровож-
дается подтверждением таких качественных характеристик, как:
• высокий уровень комплексирования, т.е. организация комбинированной
работы систем УКП и поддержка интерфейсов при реализации всех полет-
ных режимов и операций в реальном масштабе времени;
• строгая иерархичность многоуровневой структуры построения БКУ и де-
терминированность движения потоков информации (командно-управля-
ющей информации сверху вниз от «ядра» БКУ к каждому элементу и конт-
рольно-диагностической информации снизу вверх от периферийных эле-
ментов до «ядра»);
• развитая гибкость управления, реализованная в алгоритмах управления ПО
БКУ и обеспечивающая на базе целеуказаний от НКУ и обработанной ди-
агностической информации от датчиковой аппаратуры эффективный рас-
ход ресурсов и задействование резервов, а также адаптивность к отказам и
парирование нештатных ситуаций.
Отработанная и готовая к применению в составе целого класса космических
аппаратов платформа создает особенную привлекательность для заказчиков пер-
спективных космических изделий. Развитие и совершенствование БКУ предпо-
лагается в следующих направлениях:
• повышение надежности и увеличение гарантированного срока функцио-
нирования отдельных приборов и БКУ в целом путем применения совре-
менных типономиналов ЭКБ, а также благодаря внедрению функциональ-
ного резервирования на аппаратном и программном уровнях;
• при сохранении целевых функций и показателей БКУ снижение его общей
массы и экономия интерфейсных ресурсов в интересах полезной нагрузки
благодаря унификации разнотипных интерфейсов, оптимизации размеще-
ния бортовой кабельной сети, переходу в отдельных позициях структуры
БКУ на дублирование вместо троирования аппаратных средств.