Wenzel的COTS頻率控制和時(shí)序元件的優(yōu)勢(shì)
Wenzel利用COTS頻率控制和定時(shí)組件實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用
對(duì)…的需求基于空間的頻率控制和定時(shí)組件近年來(lái)增長(zhǎng)迅速。這一新趨勢(shì)是由對(duì)更好的通信、導(dǎo)航、地球觀測(cè)和科學(xué)研究的需求所驅(qū)動(dòng)的。為了滿足這些要求，飛行任務(wù)需要高度可靠和精確的頻率控制和定時(shí)解決方案。過(guò)去，這些組件是定制設(shè)計(jì)和制造的，成本很高，交付周期很長(zhǎng)。然而，商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）組件已成為游戲規(guī)則的改變者，為以下領(lǐng)域提供了經(jīng)濟(jì)高效且可靠的性能天基頻率控制和定時(shí)應(yīng)用.
定制頻率控制和時(shí)序元件挑戰(zhàn)
頻率控制和定時(shí)組件負(fù)責(zé)同步航天器系統(tǒng)、通信鏈路和科學(xué)儀器。石英晶振精確的計(jì)時(shí)對(duì)于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)收集、導(dǎo)航和通信至關(guān)重要，可確保任務(wù)順利進(jìn)行并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。
傳統(tǒng)上，空間機(jī)構(gòu)和組織依賴定制設(shè)計(jì)的組件進(jìn)行頻率控制和定時(shí)應(yīng)用。這些組件的開(kāi)發(fā)和制造通常非常昂貴，需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試和鑒定，以確保它們能夠承受太空的惡劣條件，包括極端溫度、輻射和真空。
在升級(jí)和更換方面，定制組件也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。航天器通常具有較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命，隨著技術(shù)的進(jìn)步，定制組件可能會(huì)過(guò)時(shí)。這需要昂貴且耗時(shí)的重新設(shè)計(jì)和更換。
COTS革命及其對(duì)國(guó)防部的影響
1994年，時(shí)任國(guó)防部長(zhǎng)威廉·佩里發(fā)布了一份備忘錄，“規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)——一種新的經(jīng)營(yíng)方式”該計(jì)劃指導(dǎo)副部長(zhǎng)和國(guó)防部（DoD）各部門(mén)的負(fù)責(zé)人實(shí)施國(guó)防部軍事規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程行動(dòng)小組的建議，該小組編寫(xiě)了一份題為“變革藍(lán)圖”的報(bào)告
在這份報(bào)告中，該小組得出結(jié)論認(rèn)為，組件制造商的工藝和控制已發(fā)展到其“商業(yè)”級(jí)組件通常與按照軍事規(guī)格制造和升級(jí)篩選的昂貴長(zhǎng)引線組件一樣可靠的程度。他們建議國(guó)防部長(zhǎng)指導(dǎo)供應(yīng)商盡可能使用這些軍用性能規(guī)格組件的替代品。此外，該報(bào)告指出，除了輻射環(huán)境耐受性之外，這些商業(yè)組件可以在不進(jìn)行一般篩選測(cè)試的情況下使用。
該指令對(duì)國(guó)防部以及整個(gè)航空航天工業(yè)在其系統(tǒng)中使用組件的方式產(chǎn)生了重大變化。1994年的這一關(guān)鍵時(shí)刻標(biāo)志著一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它將影響商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）組件的廣泛接受。
COTS頻率控制和時(shí)序元件的優(yōu)勢(shì):
●成本效率-COTS組件比定制設(shè)計(jì)的替代產(chǎn)品便宜得多，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)成本分散在更廣泛的應(yīng)用程序中。這種成本節(jié)約對(duì)于預(yù)算有限的組織尤其有益。
●可用性-COTS組件隨時(shí)可用！這縮短了準(zhǔn)備時(shí)間，貼片晶振加快了特派團(tuán)的發(fā)展和部署。在一個(gè)時(shí)機(jī)往往至關(guān)重要的行業(yè)中，這一點(diǎn)至關(guān)重要（沒(méi)有雙關(guān)語(yǔ)）。
●技術(shù)進(jìn)步-COTS組件利用最新的技術(shù)進(jìn)步，確保組織無(wú)需定制開(kāi)發(fā)即可獲得尖端技術(shù)。
●易于升級(jí)和更換–隨著技術(shù)的發(fā)展，COTS組件可以輕松更換或升級(jí)，從而延長(zhǎng)太空任務(wù)的使用壽命并降低報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)。
●驗(yàn)證和測(cè)試-許多COTS組件都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，以用于各種行業(yè)的預(yù)期應(yīng)用，這可以用于空間應(yīng)用，從而節(jié)省時(shí)間和資源。我們將在下面更詳細(xì)地探討認(rèn)證和資格標(biāo)準(zhǔn)。
挑戰(zhàn)和考慮:
雖然COTS頻率控制和定時(shí)組件具有顯著優(yōu)勢(shì)，但它們?cè)诳臻g應(yīng)用中也面臨挑戰(zhàn)和問(wèn)題:
●適應(yīng)-COTS組件可能需要修改以滿足空間任務(wù)的特定要求，包括輻射加固、熱管理和集成到航天器系統(tǒng)中。
●可靠性-雖然COTS組件是為其預(yù)期應(yīng)用的可靠性而設(shè)計(jì)的，但它們可能不具有固有的抗輻射能力。可能有必要進(jìn)行額外的測(cè)試和強(qiáng)化，以確保它們?cè)诳臻g環(huán)境中的可靠性。
●風(fēng)險(xiǎn)管理-太空任務(wù)本來(lái)就有風(fēng)險(xiǎn)，任何組件故障都可能造成嚴(yán)重后果。組織必須仔細(xì)評(píng)估和減輕與使用COTS組件相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。
COTS頻率控制和定時(shí)元件的合格標(biāo)準(zhǔn)
太空任務(wù)對(duì)可靠性和耐用性的要求超出了大多數(shù)商業(yè)組件的設(shè)計(jì)承受能力。為了彌補(bǔ)易于獲得的COTS頻率控制和定時(shí)組件與嚴(yán)格的空間要求之間的差距，航空航天工業(yè)建立了無(wú)數(shù)的資格標(biāo)準(zhǔn)。石英晶振，這些標(biāo)準(zhǔn)建立了使COTS組件適應(yīng)空間應(yīng)用的框架，同時(shí)確保它們滿足可靠性和性能的高標(biāo)準(zhǔn)。
值得注意的是，當(dāng)COTS組件經(jīng)過(guò)完整的空間鑒定過(guò)程時(shí)，它們將成為真正的空間合格組件，滿足空間任務(wù)的嚴(yán)格要求。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)估COTS適用性提供了基礎(chǔ)，而不是框架。雖然它們?yōu)樘蘸细窠M件設(shè)定了基準(zhǔn)，但并未強(qiáng)制規(guī)定具體的測(cè)試程序。用于空間應(yīng)用的商用組件處于中間位置。它們天生就具備空間的關(guān)鍵可靠性和堅(jiān)固性標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有經(jīng)過(guò)全面鑒定。工程師可以進(jìn)行有限的測(cè)試或修改，以適應(yīng)特定的任務(wù)需求。商用組件提供了具有成本效益的解決方案，但缺乏與完全符合空間要求的組件相同的保證。工程師和設(shè)計(jì)師在為太空任務(wù)選擇組件時(shí)必須把握這種微妙的局面，確保做出明智的決策。
資質(zhì)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):
●軍用性能規(guī)范
MIL-PRF可以被描述為最初為美國(guó)國(guó)防部設(shè)計(jì)使用的軍事規(guī)格的集合。然而，由于其嚴(yán)格的測(cè)試和質(zhì)量控制要求，它們也被廣泛用于空間應(yīng)用。MIL-PRF規(guī)范涵蓋了空間電子設(shè)備中使用的組件和材料的各個(gè)方面，包括抗振性、熱性能、輻射耐受性等。
比如說(shuō)，MIL-PRF-38534/-38535概述了用于航天和軍事應(yīng)用的混合微電路的要求。MIL-PRF-38534/-38535認(rèn)證不僅僅對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，還對(duì)裝配中的所有子部件和材料進(jìn)行驗(yàn)證。
●AS9100
AS9100是專門(mén)為航空航天工業(yè)定制的質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)。它涵蓋了航空供應(yīng)鏈的所有方面，包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)。AS9100認(rèn)證表明制造商堅(jiān)持嚴(yán)格的質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。
●EEE-INST-002
這份美國(guó)國(guó)家航空航天局文件概述了美國(guó)國(guó)家航空航天局·GSFC航天項(xiàng)目EEE（電氣、電子和機(jī)電）組件的選擇、篩選、鑒定和降額的基本標(biāo)準(zhǔn)。其目的是確保選擇合適的組件，保持任務(wù)的可靠性，并在制造空間硬件時(shí)遵守預(yù)算限制。
●PEM-INST-001
這份美國(guó)國(guó)家航空航天局文件為PEM（塑料封裝微電路）建立產(chǎn)品保證框架，以實(shí)施GSFC PEM政策。它借鑒了現(xiàn)有的軍事和航空部件資格認(rèn)證體系、零件工程界的集體經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)慣例。石英晶體振蕩器，該產(chǎn)品保證系統(tǒng)的目的是減輕與使用PEM相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估其長(zhǎng)期可靠性并防止故障。商用質(zhì)子交換膜主要是為良性環(huán)境設(shè)計(jì)的，當(dāng)用于太空應(yīng)用時(shí)會(huì)帶來(lái)高風(fēng)險(xiǎn)。因此，在沒(méi)有進(jìn)行額外測(cè)試和分析以確保足夠的可靠性和輻射耐受性的情況下，PEM在高可靠性場(chǎng)景中是不可接受的。
●軍用標(biāo)準(zhǔn)883
這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)概述了為微電子設(shè)備設(shè)計(jì)的測(cè)試技術(shù)和協(xié)議，包括旨在用于空間相關(guān)應(yīng)用的測(cè)試技術(shù)和協(xié)議。它包含一系列環(huán)境測(cè)試程序，包括評(píng)估溫度循環(huán)、熱沖擊和輻射彈性。
●歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織
ECSS標(biāo)準(zhǔn)在歐洲航天任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用，成為開(kāi)發(fā)和評(píng)估航天系統(tǒng)和部件的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
●JAXA（日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)）標(biāo)準(zhǔn)
JAXA已經(jīng)建立了自己的一套標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢查用于日本太空任務(wù)的部件。
結(jié)論
COTS頻率控制和定時(shí)組件在空間應(yīng)用中的使用代表了行業(yè)中的重大范式轉(zhuǎn)變。這些組件提供了具有成本效益、易于獲得且技術(shù)先進(jìn)的解決方案，可以加快任務(wù)開(kāi)發(fā)并增強(qiáng)航天器的能力。然而，它們的采用還需要仔細(xì)考慮適應(yīng)性、可靠性和風(fēng)險(xiǎn)管理，以確保太空任務(wù)的成功。展望未來(lái)，COTS頻率控制和定時(shí)組件的集成將在塑造空間探索和通信的未來(lái)中發(fā)揮更加突出的作用。
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