通過彌合商用和QML V類選項之間的差距降低小型衛(wèi)星組件成本

小型衛(wèi)星星座（smallsats）有望為國家安全空間（NSS）計劃帶來切實的好處，在這些計劃中，迫切需要最大限度地降低建設和部署成本。多個小型衛(wèi)星，定義為發(fā)射質量為500公斤或更小的衛(wèi)星，可以快速，廉價地建造，然后快速和響應地部署，以實施NSS資產網絡，以應對當今不斷變化的威脅形勢。

到目前為止，小型衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)人員只有兩個組件選項。一方面，商用現貨 （COTS） 組件可降低成本和交貨時間，但通常必須適應空間要求;另一種選擇是更昂貴的組件，具有更長的交貨時間，這些組件通過設計進行輻射硬化，并經過篩選并符合QML級Q和V級標準?，F在，第三個“sub-QML”選項通過一類新的組件彌合了差距，這些組件將QML設備的輻射耐受性與航天傳統(tǒng)相結合，允許更低的篩選要求和相關的更短的交貨時間。

NSS小型衛(wèi)星的需求增長

近年來，兩個促成因素已經融合在一起，允許出現多個用于NSS應用的小型衛(wèi)星程序。

一個因素是發(fā)射成本的降低：發(fā)射服務市場的競爭加上商業(yè)提供商的增長，造成了價格下降的壓力，使全世界所有類型的衛(wèi)星運營商都處于有利地位。由于其體積和質量低，可以同時發(fā)射多個小型衛(wèi)星，通常以較大的衛(wèi)星作為主要發(fā)射有效載荷。發(fā)射服務的成本可以分攤，從而降低總體計劃成本。

有利于小型衛(wèi)星發(fā)展的第二個因素是現代電子元件能力的不斷提高。這一現實使小型衛(wèi)星能夠以更小的體積和質量包裝更多的功能。

由于發(fā)射服務費用較低，小型衛(wèi)星提供的功能不斷增加，因此產生了一些新的和正在出現的飛行任務模式。有了多個小衛(wèi)星的星座，偵察任務可以在感興趣的區(qū)域實現更高的重訪率。出于戰(zhàn)術偵察目的，當前監(jiān)視圖像的快速可用性對作戰(zhàn)人員來說可能是生死攸關的問題。

然而，小型衛(wèi)星的吸引力并不局限于監(jiān)視和偵察。繼銥星、Globalstar和O3B商業(yè)通信星座的成功之后，已經提出了更多的小型衛(wèi)星通信計劃。有幾個處于開發(fā)后期階段。這些計劃旨在為當今固定地面基礎設施服務不足的世界地區(qū)提供高帶寬數據通信訪問。小型衛(wèi)星通信星座還可以為戰(zhàn)術軍事通信帶來顯著優(yōu)勢，否則專用安全信道可能無法使用。

雖然大多數傳統(tǒng)衛(wèi)星計劃需要使用經過認證和篩選到非常高水平的電子元件，但這種方法給NSS小型衛(wèi)星計劃帶來了成本和交付挑戰(zhàn)，因為NSS小型衛(wèi)星計劃的重點是低購置成本和更快的服務進入。改用 COTS 組件可能會帶來其他成本和權衡。

COTS與QML的困境

到目前為止，用于單片電子集成電路（IC）的最常見的篩選和資格標準在MIL-PRF-38535中定義，該標準由美國國防部（DoD）下屬的國防后勤局發(fā)布?；旌?a target="_blank">半導體和分立半導體也存在類似的標準。符合MIL-PRF-38535標準的合格和篩選的組件被授予合格制造商列表或QML資格。這一要求確保任務目標得到實現，但與COTS組件相比，確實增加了成本并延長了交貨時間。

許多人試圖通過用COTS選項替換QML組件來削減小型衛(wèi)星的成本和建造時間，從而消除這種篩選。但是，選擇 COTS 組件的航天硬件開發(fā)人員可能仍需要投資證明它們將滿足所有必要的質量、可靠性和輻射要求。這種保證可能很昂貴，而且通常，選擇低成本的COTS部件會導致更高的擁有成本。

例如，雖然通用塑料封裝的COTS組件本質上提供了高水平的質量和可靠性，但它們的設計并沒有考慮到空間輻射環(huán)境，也不是為了承受發(fā)射到太空的沖擊和振動。需要額外的工程工作來表征其輻射行為和機械特性，并評估任何弱點的解決方法。

減輕軟輻射 COTS 組件中的輻射效應所需的系統(tǒng)工程工作可能廣泛、耗時且昂貴。此外，鑒于星座計劃將購買的組件數量相對較少（每年數百個零件，與銷售到消費或汽車應用中的數百萬或數千萬個零件相比非常低），許多商業(yè)COTS組件供應商將不愿意花時間進行故障分析，擴展溫度篩選，輻射表征， 或星座計劃的其他技術支持活動。大批量供應商通常不提供代工廠或包裝分包商變更的可追溯性或變更通知。所有這些都是空間系統(tǒng)開發(fā)人員的重要因素，因為在構建航天系統(tǒng)時，供應的一致性很重要。

此外，雖然塑料封裝的COTS組件的高產量帶來了高度的可靠性保證，但太空計劃可能會遇到用于或已經集成到飛行硬件中的組件可能發(fā)生意外損壞的情況。隨著 NSS 計劃的承包商基礎遷移到使用 COTS 組件提供低成本系統(tǒng)，應牢記組件供應商對技術支持以支持任務保證目標的需求。

sub-QML選項解決了這些挑戰(zhàn)，提供了成本降低和航天飛行可靠性優(yōu)勢的至關重要的組合，這是COTS或QML組件都無法提供的。

彌合差距

幾十年來，衛(wèi)星行業(yè)一直由數量不多的組件制造商提供服務，這些制造商擁有數十年的成功支持太空任務的歷史，并在許多計劃中長期積累的飛行遺產。其中一些部件供應商為低成本衛(wèi)星星座提供產品，在這些星座需要部署大量需要大量部件的衛(wèi)星。這些子QML產品耐輻射但無QML篩選，符合非常高的可靠性和輻射防護標準。相同的部件也可以采用塑料封裝，盡管它們不符合QML，但非常適合某些小型衛(wèi)星應用。

對于許多需要盡可能高篩選的傳統(tǒng)太空計劃來說，亞QML組件可能不是正確的選擇，因為它們的戰(zhàn)略性質，或者因為與其他開發(fā)或建設成本相比，電子內容的成本很小。然而，它們是小型衛(wèi)星星座的理想選擇，在這些星座中，最大限度地降低衛(wèi)星的建造和部署成本至關重要。采用亞QML方法進行組件選擇可以顯著降低成本，而不會犧牲部署空間系統(tǒng)所需的可靠性或輻射耐受性。

如今，一些組件供應商已經為空間應用提供亞QML組件。例如，美高森美與其新的母公司Microchip Technology一起提供了一個完整的系統(tǒng)解決方案，包括sub-QML FPGA（現場可編程門陣列）、混合信號IC、微處理器和微控制器、分立MOSFET［金屬氧化物半導體場效應晶體管］、雙極晶體管和二極管、芯片級原子鐘和精密振蕩器。

對于用于國家安全任務的系統(tǒng)，使用成本更低、交貨時間更短的耐輻射亞QML設備，減輕了小型衛(wèi)星系統(tǒng)設計人員對空間應用進行COTS組件認證的負擔，同時降低了物料清單成本。此外，這些空間組件的老牌供應商在輻射耐受性方面的經驗、奉獻精神、響應能力和專業(yè)知識給系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了，可以大大降低與使用通用COTS組件相關的任何風險。與這些供應商合作，開發(fā)人員可以放心地實現成本目標，而不會將任務目標置于危險之中。

審核編輯：郭婷