航天器单粒子故障事例分析

随着卫星在各领域的广泛应用，卫星数量不断增加，高性能新型电子器件和集成电路在星载电子设备和系统上得到应用，使得空间辐射效应，特别是单粒子效应诱发故障的可能性明显增加，复杂多变的空间辐射环境及效应严重威胁到卫星电子设备与系统在空间轨道上的安全运行。

辐射效应是导致航天器失效的主要原因，而在辐射效应中，单粒子翻转（SEU）和单粒子瞬态（SET）最可能导致航天器失效，如图5-22和图5-23所示。SEU和SET是数字集成电路中最常见的两种单粒子效应，前者发生在时序元件中，后者发生在组合逻辑和时钟电路中。有时研究学者对二者不予区分，统一表述为单粒子翻转。如图5-22所示，辐射导致航天器异常的百分比为45%，等离子体为29%，地球磁场、空间碎片等其他因素总和为26%。如图5-23所示，在所有辐射导致的失效中，归咎于SEU和SET的失效占到80%，闩锁、总剂量等其他因素只占20%。

图5-22　引发航天器失效的因素

图5-23　辐射效应中引发航天器失效的因素

美国国家地球物理数据中心针对1971年至1986年美国发射的39颗同步卫星，进行了卫星异常情况的统计。数据表明，辐射效应导致的卫星异常占到总数的71.05%，单粒子翻转（此处包括SEU和SET）导致的卫星异常占主导地位，占到总数的39.08%，如表5-10所示。同样，中国空间科学技术研究院也针对我国发射的6颗同步卫星进行了异常统计，发现空间辐射环境引起的卫星失效所占比例最大，达到40%，如表5-11所示。以上的数据统计均表明辐射效应，尤其是SEU和SET两种单粒子效应是造成航天器失效的主要原因，是应用于航天领域的集成电路所面临的可靠性问题。

表5-10　美国39颗同步卫星异常情况统计(www.xing528.com)

表5-11　我国6颗同步卫星失效原因统计

除了空间辐射环境会引发集成电路的可靠性问题，在地球表面也存在粒子辐射影响集成电路的现象。1978年Intel的研究人员May和Woods发表文章，首次报告了封装材料中的α粒子导致地面应用集成电路出现可靠性问题。当时AT＆T公司已经签约欲使用Intel的芯片，将远途输电站的机械继电器换成集成电路。Intel发现生产的芯片一直出现问题，以至于不能交付AT＆T公司使用。与此同时，Intel引入新一代存储器，发现它们出现数据翻转的问题。May和Woods怀疑是封装材料里的α粒子会导致翻转，他们通过试验证实了他们的猜想，原来这些芯片的封装模块已被附近的一个废弃的铀矿污染。1986年至1987年，IBM公司生产的芯片也出现了类似的问题。原因是他们在生产集成电路的过程中使用了放射性污染的化学试剂，是辐射效应导致的芯片异常。2000年，Sun Microsystems公司的互联网服务器因为辐射粒子的干扰，导致一些使用其服务器的网站出现故障。此外，从20世纪80年代开始，欧洲航天局和欧洲航天研究与技术中心就着手地面的集成电路辐照试验，进行了单粒子效应的研究。他们使用放射性物质或者回旋加速器加速粒子来模拟宇宙射线，对存储器或者微处理器进行测试，取得了相当丰富的成果。