Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT)

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1 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) Workshop ASI: La Componentistica Nazionale per lo Spazio: stato dell arte, sviluppi e prospettive 18-20/01/2016

2 Sommario Problematiche dei COTS nelle applicazioni satellitari Quali Tecnologie COTS? Uso spaziale dei COTS e loro validazione i laboratori IMT l esperienza IMT Un approccio per selezione e Testing della componentistica Sequenza proposta per Test di Upscreening 2

3 Problematiche dei COTS nelle applicazioni satellitari La differenza tra uno strumento che opera nello spazio e uno strumento che svolge funzioni analoghe a terra consiste nella capacita di resistere a particolari condizioni ambientali termiche (caldo, freddo), meccaniche (vibrazioni, shock, assenza di atmosfera), radiative (elettromagnetiche, ionizzanti). Per strumentazione basata su tecnologie già impiegate sulla terra, ad esempio su componenti microelettronici di largo consumo, il costo di adattamento all ambiente spaziale può essere sorprendentemente basso, poiché questi componenti sono spesso di qualità tale da essere in grado di operare in condizioni ambientali simili a quelle spaziali. 3

4 Problematiche dei COTS nelle applicazioni satellitari Un Esempio: L attuale qualità dei VLSI commerciali e la varietà dei prodotti esistenti sul mercato permette un approccio chiamato COTS (Component-Off-The- Shelf). Prima viene scelta la tipologia del componente microelettronico commerciale (tipicamente, ma non necessariamente, di qualità militare ) di interesse per il progetto, e successivamente tale componente, viene sottoposto a prove ambientali, soprattutto di radiazione ionizzante, per verificare se sarà in grado di tollerare gli effetti delle radiazioni cosmiche nello spazio. Per molte applicazioni spaziali l approccio COTS risulta vincente, permettendo di utilizzare in orbita VLSI commerciali complessi come CPU, Memorie RAM e ROM, ADC, DAC, DSP, etc. a costi estremamente convenienti. Questo approccio di upgrading dei componenti e delle tecnologie impiegate in prodotti di largo consumo può essere esteso anche ad altri ambiti, come quello termico, quello meccanico o quello dell'immunità elettromagnetica per produrre in questo modo strumentazione spaziale moderna a costi ridotti. 4

5 Problematiche dei COTS nelle applicazioni satellitari Proprio utilizzando questo approccio fino dagli anni 80, un gruppo di ingegneri dell Università del Surrey (Inghilterra) ha sviluppato ed è riuscito a mettere in orbita con successo una serie di sofisticati microsatelliti ad un costo di circa 3 MUS$ ciascuno, comprensivo del lancio. Tuttavia occorre sempre ricordare che COTS components can never be used completely "as is" in the space context. For projects having lower "Quality Assurance" requirements, the number of tests can be considerably reduced; the objective is to find the best trade-off between cost and quality. Some tests remain mandatory: SEL, DPA, etc.; also SEU for a few key components (processors, memories, etc.). 5

6 Problematiche dei COTS nelle applicazioni satellitari Infatti, l uso di componenti e circuiti COTS nelle applicazioni spaziali implica potenziali problemi, in particolare per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni. Ciò può influenzare notevolmente il Life Time del Satellite. L uso di componenti con involucro plastico, in aggiunta, comporta la valutazione di ulteriori aspetti, quali: Outgassing Resistenza all umidità Resistenza ai cicli termici Oltre ad ulteriori verifiche sull integrità delle plastiche da effettuarsi a mezzo di CSAM (Sono Scan) Le applicazioni degli items COTS sono regolamentate da normative ECSS, per la cui descrizione si rimanda all allegato della presentazione, che non verrà illustrato per ragioni di tempo. 6

7 Quali Tecnologie COTS? Le Tecnologie utilizzabili debbono essere selezionate in funzione dell applicazione e della missione richiesta (durata, tipo di orbita, criticità, ecc.). Nel caso di missioni LEO di durata contenuta, gran parte delle tecnologie commerciali possono essere impiegate con un modesto upgrading, ma con le adeguate caratterizzazioni. I circuiti Integrati plastici COTS PEM (Plastic Ecapsulated Microcircuits) si stanno diffondendo notevolmente nelle applicazioni spaziali, grazie a costi ridotti, minore massa e disponibilità di funzionalità più avanzate; inoltre, oggi alcuni fornitori realizzano dispositivi solo in package plastico. Il loro impiego necessita però di verifiche ed eventuali upgrading dedicati. Per i dispositivi passivi non ci sono limitazioni particolari, purché i materiali impiegati siano compatibili all impiego spaziale ed i ranges di temperatura siano almeno quelli Industriali, possibilmente Militari.

8 Roma Uso spaziale dei COTS e loro validazione (i laboratori IMT) Valenzano (BA) Valenzano (BA) Roma 8

9 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (i laboratori IMT) Capacità di Testing Destructive physical analysis Failure analysis Construction analysis Up-screening Relife Thermal Shock (air-air / liquidliquid) and Thermal Cycle High Stabilization Bake Humidity Test 85 C/85%RH Highly-Accelerated Temperature and Humidity Stress Test (HAST) Burn-in Life test Electrical test characterization (also at RF up to 40 Ghz) Hermeticity test Radiation test TID DD - SEE Xrays CSAM 9

10 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (i laboratori IMT) Capacità di Testing 10

11 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) Fin dal 1999 la IMT ha condotto ricerche e caratterizzazioni di items COTS sia in ambito ESA (caratterizzazione di Motherboards PC104) sia in ambito ASI (bandi tecnologici degli anni ). Inoltre, la IMT ha avuto modo di verificare in orbita la bontà dell approccio adottato: Progetto YES2 ( ) lanciato il 14/09/2007 con vettore Russo e capsula Foton Food Delivery Subsystem (FDS) L esperimento (per lo studio di 6 topolini in orbita) è stato imbarcato con il volo STS gg di missione con successo Xband TX ( ) Experimental radio frequency Probe su Satellite Velox-CI (Singapore) lanciato con successo a metà dicembre

12 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) ERMES Il satellite ERMES appartiene alla classe Cubesat 3U, con a bordo un esperimento biologico per lo studio dell attività respirometrica di cellule di lievito (saccaromyces cerveisae). Lo scopo è quello di fornire futuri biosensori utili nelle missioni spaziali abitate per periodi prolungati. Questi sensori monitoreranno le condizioni ambientali (inquinamento / stato di salute) nell abitacolo, dando la possibilità agli astronauti di intervenire per evitare conseguenze pericolose sull intero equipaggio. Il progetto ERMES è stato cofinanziato dalla Regione Lazio, nell ambito del programma POR FESR LAZIO 2007/2013 Co-Research Il Nanosatellite è basato interamente su tecnologie COTS validate per l impiego spaziale e che hanno originato prodotti di seguito illustrati. 12

13 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) ERMES CubeSat OBC L On-Board Computer (OBC) per CUBESAT è basato su tecnologie allo stato dell arte: Processore 32-bits ad alte prestazioni - Microchip PIC32MZ M14K, con protezione dedicata anti latch-up Tre banchi di memoria protetti da circuiti indipendenti anti latch-up o 16MB Pseudo-Static RAM (espandibili fino a 64MB) o 64MB Flash NOR Memory (espandibili fino a 128MB) per dati di housekeeping o 8GB Flash NAND Memory per i dati Payload Sia le memorie flash NAND sia le NOR sono utilizzate con un architettura in configurazione a tripla ridondanza con Majority Voting Disponibili varie tipologie di interfacce (CAN 2.0B, UART, I2C, SPI, USB 2.0), ognuna in ridondanza 13

14 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) ERMES OBC

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16 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) Il Progetto dell On-Board Computer ha consentito di mitigare gli effetti delle radiazioni cosmiche (per quanto riguarda i Single Event Effect- SEE) con: Architettura in configurazione a tripla ridondanza con Majority Voting per mitigare effetti SEU Circuiti indipendenti anti latch-up per mitigare effetti SEL Inoltre, test TID svolti a livello di hardware integrato hanno consentito di dimostrare una tolleranza maggiore di 30 krads (Si) Le caratteristiche sopra menzionante consentono un utilizzo in missioni spaziali anche particolarmente demanding (es. missioni LEO 3-5 anni) con adeguati margini di progetto. 16

17 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) ERMES CubeSat Battery Pack Il Battery Pack è basato su celle (COTS) a ioni litio con alta densità di energia. L unità può essere adattata a seconda dei requisiti di missione (4P / 2S 2P / 4S). Altre configurazioni sono disponibili (fino a 16 celle). La configurazione standard ha un architettura 2S 2P (42 W-ora) e 8,4V a piena carica. Ogni cella è dotata di un riscaldatore e di 2 sensori di temperatura per prevenire l uso a temperature inferiori a -5 C. 17

18 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) Protezioni implementate: Over-current Over-charge Over-discharge La realizzazione è Cubesat Standard La IMT ha messo a punto una procedura di Selezione ed Accettazione in modo da valutare la qualità costruttiva e lo stato delle celle: Visual inspection Misure elettriche e meccaniche X-Rays Destructive Physical Analysis (DPA), a campione Misure automatizzate di Carica/Scarica/Resistenza interna Vibrazioni Prove di Vuoto 18

19 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) ERMES Battery Pack

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21 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) Il Progetto e la caratterizzazione del Battery Pack ha consentito di realizzare una unità di accumulo di energia ad alta capacità da impiegare a bordo di Nanosatelliti con una notevole flessibilità di caratteristiche. Le caratteristiche sopra menzionante consentono un utilizzo in missioni spaziali anche particolarmente demanding (es. missioni LEO attorno ai 3 anni) con adeguati margini di progetto. 21

22 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) Antenna Deployment Mechanism (ADM) - Caratteristiche: Le sue ridotte dimensioni (98 x 98 x 6 mm) consentono l impiego sui nanosatelliti (CubeSat) Sistema di apertura ridondato basato su thermal cutter Sensori feedback di avvenuta apertura indipendenti per una corretta valutazione dello stato di funzionamento dell unità Configurazione di antenne personalizzabile in funzione dei requisiti della missione (monopoli/ dipoli/ turnstile) Può ospitare antenne su 3 differenti bande (fino alla X) Possibilità di integrare pannello solare (con celle 3J) e sensori di assetto

23 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) Solar Array Drive Assembly (SADA) Il progetto SADA (Solar Array Drive Assembly) consiste in un sistema di dispiegamento in orbita di pannelli solari, con lo scopo di aumentare l area attiva e, quindi, la potenza disponibile su satelliti della classe Cubesat. Inoltre, grazie alla presenza di due motori stepper e sensori di sole (sensori di assetto), il sistema è in grado di eseguire un tracking automatico del sole in modo da avere sempre la massima illuminazione dei pannelli solari. La potenza disponibile con due pannelli completamente dispiegati è di circa 36 W (EOL) da comparare con i 4-5 W disponibili da una configurazione di pannelli body mounted su un Cubesat 3U. Il progetto SADA è stato cofinanziato dalla Regione Lazio, nell ambito del programma POR FESR LAZIO 2007/2013 Microinnovazione 23

24 Uso spaziale dei COTS e loro validazione (l esperienza IMT) SADA Solar Array Drive Assembly per Cubesat 3U (un solar array dispiegato) Meccanismi di dispiegamento indipendenti e ridondanti con feedback di avvenuta apertura Attuazione servomeccanica dei due pannelli solari indipendente con possibilità di seguire leggi di controllo differenti Sensori di monitoraggio e autodiagnosi del sistema Contatti striscianti (dati e potenza) eliminando saturazione dovuta ai cablaggi Sensori per funzionamento autonomo individuazione ed inseguimento del sole di

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26 Un approccio per selezione e Testing della componentistica Tutti I componenti elettronici, per quanto possibile, sono selezionati come COTS da produzioni per applicazioni industriali/militari. È necessaria una validazioni iniziale dei fornitori scelti, valutando il loro heritage e le certificazioni di qualità ottenute. Le regole di selezione base sono: Selezione dei componenti non ITAR (per quanto possibile) Il Range di temperatura esteso (da -55 C a +125 C) è da preferire. Qualche eccezione per Range di temperatura industriali (da -20 C a +85 C) può essere consentita, a seconda dell applicazione e delle sollecitazioni incontrate Debbono essere disponibili sufficienti dati di caratterizzazione (Heritage, Life Test, Qualifica, Radiation, ecc.,) Quando l heritage del componente non è adeguato deve essere prevista almeno la Constructional Analysis (CA), e test di radiazione per evidenziare eventuali criticità della tecnologia Quando necessario, deve essere effettuata un adeguata attività di Upscreening dei componenti I componenti utilizzati in applicazioni Militari e Aerospaziali sono da preferire È raccomandata una standardizzazione dei part type/ part number molto stringente I package plastici possono essere utilizzati, purché venga svolta un adeguata valutazione dei materiali (per conoscere I parametri di outgassing e la tolleranza all umidità) I requisiti delle normative ECSS possono essere adattati a seconda dei requisiti di missione 26

27 Sequenza proposta per Test di Upscreening 27

28 Via Carlo Bartolomeo Piazza, Roma - ITALY Tel.: Fax: giovanni.cucinella@imtsrl.it 28

29 Allegato alla Presentazione COTS nella normativa ECSS In generale la normativa ECSS che tratta di COTS è: ECSS-Q-ST-60-13C (21 October 2013) - Commercial electrical, electronic and electromechanical (EEE) components ECSS-Q-ST-20-10C - Off-the-shelf items utilization in space systems 29

30 ECSS-Q-ST-60-13C - Differenze tra le tre Classi - EVALUATION 30

31 ECSS-Q-ST-60-13C - Differenze tra le tre Classi SCREENING/LAT 31

32 ECSS-Q-ST-60-13C - Commercial electrical, electronic and electromechanical (EEE) components L approccio ECSS per i Componenti commerciali da impiegare nello spazio non è dissimile da quello per I componenti Hi-Rel. Ciò, se da un lato consente l impiego anche in missioni demanding, dall altro potrebbe non consentire riduzioni di costo significative. Comunque, la presenza dei tre gradi di qualità permette una notevole flessibilità nella scelta. 32

33 ECSS-Q-ST-20-10C - Off-the-shelf items utilization in space systems Questo Standard contiene i requisiti per l uso di items Off-The-Shels (OTS), definendo le modalità di selezione, caratterizzazione e procurement per l impiego in sistemi spaziali. È uno standard applicabile in particolare a Macrocomponenti ed assiemi completi. Gli steps previsti sono: Indagine di mercato ed identificazione degli OTS Valutazione delle prestazioni (analisi termo-meccaniche, di obsolescenza e test elettrici) Procurement e Qualifica Decisione finale Make or Buy 33