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Wenzel的COTS頻率控制和時序元件的優勢

Wenzel利用COTS頻率控制和定時組件實現空間應用

對…的需求基于空間的頻率控制和定時組件近年來增長迅速。這一新趨勢是由對更好的通信、導航、地球觀測和科學研究的需求所驅動的。為了滿足這些要求，飛行任務需要高度可靠和精確的頻率控制和定時解決方案。過去，這些組件是定制設計和制造的，成本很高，交付周期很長。然而，商業現貨（COTS）組件已成為游戲規則的改變者，為以下領域提供了經濟高效且可靠的性能天基頻率控制和定時應用.
定制頻率控制和時序元件挑戰
頻率控制和定時組件負責同步航天器系統、通信鏈路和科學儀器。石英晶振精確的計時對于協調數據收集、導航和通信至關重要，可確保任務順利進行并實現目標。
傳統上，空間機構和組織依賴定制設計的組件進行頻率控制和定時應用。這些組件的開發和制造通常非常昂貴，需要進行廣泛的測試和鑒定，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。

在升級和更換方面，定制組件也帶來了挑戰。航天器通常具有較長的運行壽命，隨著技術的進步，定制組件可能會過時。這需要昂貴且耗時的重新設計和更換。

COTS革命及其對國防部的影響

1994年，時任國防部長威廉·佩里發布了一份備忘錄，“規范和標準——一種新的經營方式”該計劃指導副部長和國防部（DoD）各部門的負責人實施國防部軍事規范和標準過程行動小組的建議，該小組編寫了一份題為“變革藍圖”的報告
在這份報告中，該小組得出結論認為，組件制造商的工藝和控制已發展到其“商業”級組件通常與按照軍事規格制造和升級篩選的昂貴長引線組件一樣可靠的程度。他們建議國防部長指導供應商盡可能使用這些軍用性能規格組件的替代品。此外，該報告指出，除了輻射環境耐受性之外，這些商業組件可以在不進行一般篩選測試的情況下使用。
該指令對國防部以及整個航空航天工業在其系統中使用組件的方式產生了重大變化。1994年的這一關鍵時刻標志著一個轉折點，它將影響商業現貨（COTS）組件的廣泛接受。
COTS頻率控制和時序元件的優勢:
●成本效率-COTS組件比定制設計的替代產品便宜得多，因為開發成本分散在更廣泛的應用程序中。這種成本節約對于預算有限的組織尤其有益。
●可用性-COTS組件隨時可用！這縮短了準備時間，貼片晶振加快了特派團的發展和部署。在一個時機往往至關重要的行業中，這一點至關重要（沒有雙關語）。
●技術進步-COTS組件利用最新的技術進步，確保組織無需定制開發即可獲得尖端技術。
●易于升級和更換–隨著技術的發展，COTS組件可以輕松更換或升級，從而延長太空任務的使用壽命并降低報廢風險。

●驗證和測試-許多COTS組件都經過了嚴格的測試和驗證，以用于各種行業的預期應用，這可以用于空間應用，從而節省時間和資源。我們將在下面更詳細地探討認證和資格標準。

挑戰和考慮:
雖然COTS頻率控制和定時組件具有顯著優勢，但它們在空間應用中也面臨挑戰和問題:
●適應-COTS組件可能需要修改以滿足空間任務的特定要求，包括輻射加固、熱管理和集成到航天器系統中。
●可靠性-雖然COTS組件是為其預期應用的可靠性而設計的，但它們可能不具有固有的抗輻射能力。可能有必要進行額外的測試和強化，以確保它們在空間環境中的可靠性。
●風險管理-太空任務本來就有風險，任何組件故障都可能造成嚴重后果。組織必須仔細評估和減輕與使用COTS組件相關的風險。
COTS頻率控制和定時元件的合格標準
太空任務對可靠性和耐用性的要求超出了大多數商業組件的設計承受能力。為了彌補易于獲得的COTS頻率控制和定時組件與嚴格的空間要求之間的差距，航空航天工業建立了無數的資格標準。石英晶振，這些標準建立了使COTS組件適應空間應用的框架，同時確保它們滿足可靠性和性能的高標準。

值得注意的是，當COTS組件經過完整的空間鑒定過程時，它們將成為真正的空間合格組件，滿足空間任務的嚴格要求。然而，這些標準為評估COTS適用性提供了基礎，而不是框架。雖然它們為太空合格組件設定了基準，但并未強制規定具體的測試程序。用于空間應用的商用組件處于中間位置。它們天生就具備空間的關鍵可靠性和堅固性標準，但沒有經過全面鑒定。工程師可以進行有限的測試或修改，以適應特定的任務需求。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。工程師和設計師在為太空任務選擇組件時必須把握這種微妙的局面，確保做出明智的決策。

資質和測試標準:
●軍用性能規范
MIL-PRF可以被描述為最初為美國國防部設計使用的軍事規格的集合。然而，由于其嚴格的測試和質量控制要求，它們也被廣泛用于空間應用。MIL-PRF規范涵蓋了空間電子設備中使用的組件和材料的各個方面，包括抗振性、熱性能、輻射耐受性等。
比如說，MIL-PRF-38534/-38535概述了用于航天和軍事應用的混合微電路的要求。MIL-PRF-38534/-38535認證不僅僅對最終產品進行驗證，還對裝配中的所有子部件和材料進行驗證。
●AS9100
AS9100是專門為航空航天工業定制的質量管理體系標準。它涵蓋了航空供應鏈的所有方面，包括設計、開發、生產和服務。AS9100認證表明制造商堅持嚴格的質量和可靠性標準。
●EEE-INST-002
這份美國國家航空航天局文件概述了美國國家航空航天局·GSFC航天項目EEE（電氣、電子和機電）組件的選擇、篩選、鑒定和降額的基本標準。其目的是確保選擇合適的組件，保持任務的可靠性，并在制造空間硬件時遵守預算限制。
●PEM-INST-001
這份美國國家航空航天局文件為PEM（塑料封裝微電路）建立產品保證框架，以實施GSFC PEM政策。它借鑒了現有的軍事和航空部件資格認證體系、零件工程界的集體經驗和行業慣例。石英晶體振蕩器，該產品保證系統的目的是減輕與使用PEM相關的風險，評估其長期可靠性并防止故障。商用質子交換膜主要是為良性環境設計的，當用于太空應用時會帶來高風險。因此，在沒有進行額外測試和分析以確保足夠的可靠性和輻射耐受性的情況下，PEM在高可靠性場景中是不可接受的。
●軍用標準883
這個標準概述了為微電子設備設計的測試技術和協議，包括旨在用于空間相關應用的測試技術和協議。它包含一系列環境測試程序，包括評估溫度循環、熱沖擊和輻射彈性。
●歐洲空間標準化合作組織
ECSS標準在歐洲航天任務中得到廣泛應用，成為開發和評估航天系統和部件的結構基礎。
●JAXA（日本宇宙航空研究開發機構）標準
JAXA已經建立了自己的一套標準監督設計、生產和檢查用于日本太空任務的部件。
結論
COTS頻率控制和定時組件在空間應用中的使用代表了行業中的重大范式轉變。這些組件提供了具有成本效益、易于獲得且技術先進的解決方案，可以加快任務開發并增強航天器的能力。然而，它們的采用還需要仔細考慮適應性、可靠性和風險管理，以確保太空任務的成功。展望未來，COTS頻率控制和定時組件的集成將在塑造空間探索和通信的未來中發揮更加突出的作用。