Lambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Marzo 2009 Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 10.

L’ambiente spazialeL’ambiente spaziale

Dr. Emanuele Pace

Marzo 2009

Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 10Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 10

E. Pace - Tecnologie Spaziali 2

Missione spazialeMissione spaziale

LanciatoreLanciatore

SatelliteSatellite

Stazioni Stazioni a terraa terra


Sistema Sole-TerraSistema Sole-Terra

Distanza Sole-Terra 1/40 delle dimensioni del Sistema Solare (6 miliardi di Km)

Massa del Sole 99.9% dell’intero sistema

La massa della Terra è 3 x 10-6 volte quella del Sole

Stella più vicina a 3.5 anni luce (1 a.l. = 9.46 x 1012 km)

Densità del mezzo interstellare media 3 atomi/cm2

Densità dell’atmosfera terrestre s.l.m. 3 x 1019 molecole/cm3

1 U.A. =1.5 108 km


Sistema Sole-TerraSistema Sole-Terra

Fotosfera a 5800 K emette nel VIS-UV

Cromosfera 105 K emette nell’UV-VUV

Corona 106-108 K emette VUV-raggi X

Potenza emessa 3.85 x 1026 W

Vento solare con velocità 450 km/s e densità 9 protoni/cm3

Coronal Mass Ejections


CME da LASCO/SOHOCME da LASCO/SOHO

Associati a flares e protuberanze

Rate dipendente dal ciclo solare

Al minimo si osserva in media 1 CME a settimana

Al massimo si osservano 2-3 CME al giorno.

Raggiungono la Terra in circa 24 ore

CME energetici arrivano anche in poche ore


Spettro solareSpettro solare


Variabilità solareVariabilità solare


Cicli di macchie solariCicli di macchie solari

Zurich sunspot archiveZurich sunspot archive


Cicli di macchie solariCicli di macchie solari


EffettiEffetti

L’irraggiamento UV danneggia i materiali per esposizioni prolungate, in particolare la regione tra 200-350 nm

Il vento solare danneggia l’elettronica di bordo dei satelliti riducendone le prestazioni o provocando guasti.

I CME possono interrompere trasmissioni radio, provocare blackouts di potenza e causare danni a satelliti e all’elettronica di trasmissione dei dati.

L’emissione radio associata al ciclo delle macchie solari può interferire con le trasmissioni terrestri


L’ambiente terrestreL’ambiente terrestre

Dominato dall’atmosfera e dal campo magnetico

La pressione a terra 1.013 x 105 Pa e la turbolenza rende omogenea la mistura dei gas componenti

A quote superiori a 120 km i costituenti l’atmosfera sono disaccoppiati e dominano i processi di foto-dissociazione dovuti a irraggiamento UV

Esistono diversi modelli standard (es. US standard atmosphere 1976, MSIS) che descrivono l’atmosfera alle varie quote e il parametro principale è la temperatura.


Pressione vs. altitudinePressione vs. altitudine

Media al livello del mare 1013 mb

5 km 500 mb (upper limit of human settlement)

10 km 280 mb

20 km 56 mb

50 km 1 mb

100 km 0.00056 mb


Densità atmosfericaDensità atmosferica

Le caratteristiche dell’atmosfera dipendono dall’attività solare, in particolare la temperatura esosferica T

La densità atmosferica decresce a partire dalla densità al livello del mare sl con la quota Z seguendo un andamento dipendente dalla temperatura T:

Mi peso molecolareR* costante universale dei gasg=g(Z) accelerazione di gravità

Per attività solare intensa cresce la T e quindi anche la densità nell’alta atmosfera. Ciò riduce il tempo di permanenza della sonda in orbita e la sua vita media per la presenza dell’ossigeno atomico

Z

TR

gM isl *exp


Temperatura atmosferaTemperatura atmosfera


Densità di massaDensità di massa


Densità parzialiDensità parziali


Riscaldamento della sondaRiscaldamento della sonda

Solar radiation

1371 W/m2

Albedo + blackbody emission

200 W/m2

Solar windSolar wind

2 x 102 x 1055 K K

AtmosphereAtmosphere

101033 K KX XRate di collisioni e riscaldamento trascurabili


AlbedoAlbedo

Albedo = % energia incidente riflessa da un corpo

Neve fresca: 75 – 95%

Neve vecchia: 40 – 60%

Deserto: 25 – 30%

Foresta decidua, prati: 15 – 20%

Foresta di conifere: 5 – 15%

Mare calmo 5%


Global AlbedoGlobal Albedo


Plasma e trasmissioniPlasma e trasmissioni

Per Z < 86 km si inizia ad avere produzione di plasmi per foto-ionizzazione UV

Per Z < 1000 km

plasma < neutro

La presenza del plasma crea inefficienze nella propagazione delle onde radio a frequenze

che vengono riflesse

23

9 mHznf ep


Frequenze di trasmissione datiFrequenze di trasmissione dati

ITU Band Frequency

VHF138 - 144 MHz216 - 225 MHz

UHF420 - 450 MHz890 - 942 MHz

L 1.215 - 1.400 GHz

S2.3 - 2.5 GHz2.7 - 3.7 GHz

C 5.250 - 5.925 GHz

X 8.500 - 10.680 GHz

Ku13.4 - 14.0 GHz15.7 - 17.7 GHz

K 24.05 - 24.25 GHz

Ka 33.4 - 36.0 GHz


Sistema solareSistema solare

Orbite sull’eclittica

Orbite circolari

Vento solareCampi magnetici

Atmosfere

Temperatura

Asteroidi e corpi minori


Impatto sul progetto di una sondaImpatto sul progetto di una sonda

Orbite complanari Inclinazione i < 4° eccetto Mercurio (7°) e plutone (17.15°) Sono richiesti leggeri cambi di piano Grande risparmio sul carburante Sfruttamento dell’effetto “fionda gravitazionale”

Orbite circolari Eccentricità e < 0.1 eccetto Mecurio (0.206) e Plutone

(0.248) Leggere variazioni di temperatura nelle orbite planetarie

Temperatura

T (re/rp)2 [U.A.]

Vento solare Domina lo spazio interplanetario Densità

(1/r)2


Collisioni con asteroidi, meteoroidi, micrometeoroidi, polvere

Atmosfere Mercurio non ha atmosfera Composizioni e proprietà molto diverse Ionosfere e plasmi

Campi magnetici Intrappolamento e accelerazione di particelle cariche Giove ha un campo magnetico particolarmente intenso e

una magnetosfera ampia

Impatto sul progetto di una sondaImpatto sul progetto di una sonda


MicrometeoritiMicrometeoriti


Atmosfera di titanoAtmosfera di titano

La luce visibile non può sfuggire al velo di smog arancione che copre la superficie di Titano. L’atmosfera fredda e secca della luna di Saturno produce uno strato spesso 300 km di smog che si forma quando la luce solare interagisce con le molecole di idrocarburi.

Molecole Simbolo Quantità

Costituenti principali

Percentuale

Azoto N2 87-99

Argon Ar 0-6

Metano CH4 1-6

Altri Costituenti parti per milione

Idrogeno H2 2000

Idrocarburi

Etanolo C2H6 20

Acetilene C2H2 4

Etilene C2H4 1

Propano C3H8 1

Metilacetilene C3H4 0.03

Diacetilene C4H2 0.02

Composti dell’azoto

Hydrogen Cyanide HCN 1

Cynaogen C2N2 0.02

Cyanoacetilene HC3N 0.03

Acteonitrile CH3CN 0.003

Composti dell’ossigeno

Monossido di carbonio

CO 50

Anidride cabornica CO2 0.01


Campo magnetico di GioveCampo magnetico di Giove


Effetti ambientali sulla sondaEffetti ambientali sulla sonda

Outgassing

Ossigeno atomico

Material strength e fatigue lifetime

Irraggiamento UV

Danneggiamento radiativo

Cicli termici


OutgassingOutgassing

Le strutture non ricevono danni

Elettronica e ottiche possono essere danneggiati

Plastiche e ossidi particolarmente sensibili

Dannoso l’outgassing iniziale di elementi adsorbiti e dell’acqua

I lubrificanti normali degassano Lubrificanti solidi o a bassa volatilità (MoS2)


Parametri di outgassingParametri di outgassing

Total mass loss (TML) (%)[(Sample weight before test - Sample weight after test) / Sample weight before test] × 100

Collected volatile condensable material (CVCM) (%)[(Collector plate weight after test - Collector plate weight before test) / Sample weight before test] × 100

Water vapor regained (WVR) (%)[(Sample weight after moisture absorption - Sample weight after test)/Sample weight before test] × 100


Material outgassingMaterial outgassing

TML(%) CVCM(%) WVR(%)

Material NASA NASDA NASA NASDA NASA NASDA

Mylar 0.25 0.24 0.00 0.00 0.20 0.15

Kevlar 29 2.18 2.02 0.02 0.27 1.77 1.55

Teflon 0.01 0.02 0.00 0.00 0.00 0.04

Epoxy 1.07 1.20 0.01 0.04 0.30 0.17

Silicone SH1840 1.57 1.74 - 1.90 0.71 0.66 - 0.82 0.01 0.00 - 0.05

TML (%) CVCM (%) WVR (%)

Material NASDA Overall average

Overall STD DEV.

NASDA

Overall average

Overall STD DEV.

NASDA Overall average

Overall STD DEV.

RT-555SHRINK TUBING

0.208 0.236

0.034

0.003

0.023

0.018

0.042

0.057

0.020

RSE13329 Silicone Wire Insulation

1.039

1.135

0.232

0.275

0.275

0.123

0.016

0.064

0.082

CV-1142 Silicone

0.388 0.404

0.052 0.017 0.032 0.030 0.040 0.081 0.3314

CV2500 Silicone Nusil

0.149 0.145 0.028 0.007 0.007 0.009 0.003 0.013 0.016


Esempio: Outgassing connettoriEsempio: Outgassing connettori


Esempio: lubrificante Torr lubeEsempio: lubrificante Torr lube

Vapor Pressure @ 38°C 1 x 10-8 torr

@ 240°C 3 x 10-4 torr

Viscosity @ 38°C 495 centistokes

@ 98°C 43 centistokes

Viscosity Indexes,ASTM D2270

145

Flammability DOES NOT BURN

Surface Tension@ 26°C

19.3 dynes/cm

Density @ 100°C 1.78 g/ml

Chemical Inertness NO REACTIVITY*

* No reactivity between TorrLube and boiling sulfuric acid, flourine gas at 200° C, triflouride at 50° C, molten sodium hydroxide, or ethyl alcohol at room temp.


Ossigeno atomicoOssigeno atomico

Particolarmente attivo in orbita bassa

Ossigeno atomico

Scattering riflessione

Sputtering

Formazione ossidi

Chemi-luminescenza


Effetti dell’ossigeno atomicoEffetti dell’ossigeno atomico

Sputtering

Erosione dei materiali dovuta alla velocità relativa alla sonda di 8 km/s

Valori tipici 0.01 – 0.09 x 10-24 cm3/atomo

(Al-Kapton, Teflon)

2 – 4 x 10-24 cm3/atomo (Polietilene, kapton)

Dannoso per coatings, thermal blankets, pannelli solari, componenti ottici

Degrado delle proprietà ottiche, termiche, meccaniche, elettriche


Effetti dell’ossigeno atomicoEffetti dell’ossigeno atomico

Ossidazione

Modifica delle proprietà dei materiali

Esempi MoS2 se ossida diventa abrasivo

Si SiO2crack per proprietà termiche

diverse

variazioni di dimensioni

Coatings protettivi: problemi di pinholes e micrometeoroidi

Molto importanti le simulazioni sull’azione dell’ossigeno atomico sui materiali


Test su effetti dell’ossigeno atomicoTest su effetti dell’ossigeno atomico

Test facility dell’ESA per esporre materiali all’azione dell’ossigeno atomico. L’energia degli atomi arriva a 5eV per simulare le condizioni ambientali delle orbite basse.


Material strenght & fatigue lifetimeMaterial strenght & fatigue lifetime

Strenght fatigue lifetime

I gas assorbiti facilitano la

formazione di cracks

Ossidazione e diffusione dei gas assorbiti nel bulk

del materiale

1. Il vuoto migliora di circa un ordine di grandezza la vita media dei materiali

2. Un materiale che migliora molto è il vetro


Irraggiamento UVIrraggiamento UV

UV

Modifiche ottiche

Danno a polimeri

(embrittlement)

Modifiche elettriche

Caratteristiche termiche

Opacità

Esempio:

Celle solari

Resistività

Modifica della struttura dei legami

chimici


Danno da radiazioneDanno da radiazione

Radiation damage

Degrado elettronica

Displacement

Dose accumulata

Dielectric charging

Single event effect

Degrado delle celle solari


Dose accumulataDose accumulata

Il protone provoca maggiori danni dell’elettrone a causa del maggior momento


DisplacementDisplacement

Non-ionising energy loss (NIEL) NIEL include gli effetti del danneggiamento di eventi nucleari elastici o non elastici Charge Transfer Efficiency (CTE) parametro che misura l’efficienza di trasferimento di un

pacchetto di carica nei rivelatori

Si ha quando particelle penetrano nei materiali causando danni al reticolo cristallino. Si hanno allora stati energetici tra banda di valenza e banda di conduzione che causano perdita di efficienza di elettronica e rivelatori oppure dark current.


Effetti del displacementEffetti del displacement

In SPENVIS, l’attenuazione dei protoni incidenti da parte di uno schermo di alluminio è calcolata usando una routine di

CREME programme suite. Quando si stabilisce l’ambiente ricco di particelle intorno ad un sensore, tipo un CCD, la variazione di CTE attesa in orbita è calcolata come segue. La costante di danneggiamento K(E) è definita come:

DeltaCTE(E) = K(E) Phi(E)

dove Phi(E) è il flusso di particelle di energia E, e

K(E) = C NIEL(E)

Lo spettro differenziale dei protoni mediato su un orbita e attenuato da un dato schermo di alluminio è usato per calcolare l’ammontare del danno causato ad ogni energia del protone. Il danno totale segue dall’integrazione del danno su tutto l’intervallo di energie:


Single event effectSingle event effect

Il SEE risulta dall’azione di una singola particella energetica.

SEE

Single event burnout

SEB

(hard failure)

Single event upset

SEU

(soft error)

Single event latchup

SEL

(soft or hard error)


SEUSEU

Definito dalla NASA come radiation-induced errors in microelectronic circuits caused when charged particles (usually from the radiation belts or from cosmic rays) lose energy by ionizing the medium through which they pass, leaving behind a wake of electron-hole pairs.

Indotto da particelle energetiche che rilasciano impulsi di energia. Provocano errori transienti non distruttivi. Un reset o una riscrittura del

componente (memorie) riattivano la normale funzionalità. Può avvenire nell’elettronica analogica, digitale, nei componenti ottici,

oppure può avere effetti sulla circuiteria d’interfaccia. Un SEU appare tipicamente come un impulso transiente nella

circuiteria di supporto o logica, o come un ‘bit flip’ nelle celle di memoria o nei registri.

Un SEU grave si definisce ‘single-event functional interrupt’ (SEFI). Blocca le normali operazioni e richiede un reset di potenza per recuperare le normali funzioni operative.


Effetto di SEU protoniciEffetto di SEU protonici

I protoni possono • Ionizzare• Provocare ‘spallazione’


SELSEL

Condizione che causa la perdita del funzionamento di un dispositivo a causa di una corrente indotta da un singolo evento.

I SEL sono potenzialmente distruttivi e causare danni permanenti

Creano un eccesso di corrente durante il funzionamento del dispositivo, al di sopra delle specifiche, che può distruggerlo.

La condizione ‘latched’ può distruggere il dispositivo, ridurre la tensione sul bus, o danneggiare il power supply.

Inizialmente si pensava che i SEL fossero dovuti a ioni pesanti, tuttavia possono anche essere causati in dispositivi molto sensibili da protoni

Un SEL può essere rimosso da un power off-on or power strobing del dispositivo. Se la potenza non viene rimossa rapidamente, può accadere un danno irreversibile dovuto a eccesso di riscaldamento, o rottura delle metallizzazioni o dei bonding.

Il SEL dipende fortemente dalla temperatura: la soglia di latchup decresce ad alta temperatura e la sezione d’urto cresce.


SEL: corrente indottaSEL: corrente indotta

A500K050 (Prototype) SEE TestBNL, September 2000S/N LAN3303, Run B2

BromineNASA/GSFC

Time (sec)

0 5 10 15 20

Cur

rent

(m

A)

-200

0

200

400

600

800

1000

ICC3.3V

ICC2.5V

Note:Power Supply Trip Level Set at 800 mA


Linear energy transfer (LET)Linear energy transfer (LET)

Soglia del SEU LET• Minimo valore di LET per causare un effetto SEU.

Soglia del SEL LET• Massimo valore di LET per non avere latchup

Misurato in MeV cm2/mg

@ 107 particles/cm2


Soglie di SEL LETSoglie di SEL LET

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

15 20 25 30 35 40

LET (MeV-cm2/mg)

Dev

ice

Cro

ss S

ecti

on (

cm2 )

TIC43 BNL data taken a some angle of incidence

TIC43 NSCL data taken at normal incidence

Note: TIC42 data taken at normal incidence at NSCL and BNL show the same results for LET threshold.

TIC43 BNL data taken a normal incidence

Arrows Indicate Limiting Cross Section


Single event burnoutSingle event burnout

Condizione che può causare la distruzione del dispositivo a seguito di un’elevata corrente che attraversa un transistor di potenza.

Un SEB causa la rottura del dispositivo. Il SEB include

• Bruciatura di un power MOSFET, • Rottura di un gate• Bits congelati• Rumore nei CCDs

Un SEB può essere triggerato in un power MOSFET in stato OFF state (alta tensione di drain-source) quando uno ione pesante passando deposita una carica sufficiente a mettere il dispositivo in stato di ON.

La suscettibilità ai SEB decresce al crescere della temperatura.


Rad-hardeningRad-hardening

Physical: Hardened chips are often manufactured on insulating

substrates instead of the usual semiconductor wafers. Silicon oxide (SOI) and sapphire (SOS) are commonly used. While normal commercial-grade chips can withstand between 5 and 10 krad, space-grade SOI and SOS chips can survive doses many orders of magnitude greater.

Shielding the package against radioactivity, to reduce exposure of the bare device.

Capacitor-based DRAM is often replaced by more rugged (but larger, and more expensive) SRAM.

Choice of substrate with wide band gap, which gives it higher tolerance to deep-level defects; eg. silicon carbide or gallium nitride.

Use of depleted boron (consisting only of isotope Boron-11) in the borophosphosilicate glass layer protecting the chips, as boron-10 readily captures neutrons and undergoes alpha decay (see soft error).


Rad-hardeningRad-hardening

Logical: Error correcting memory uses additional parity bits to check for and possibly

correct corrupted data. Redundant elements can be used at the system level. Three separate

microprocessor boards may independently compute an answer to a calculation and compare their answers. Any system that produces a minority result will recalculate. Logic may be added such that if repeated errors occur from the same system, that board is shut down.

Redundant elements may be used at the circuit level. A single bit may be replaced with three bits and separate "voting logic" for each bit to continuously determine its result. This increases area of a chip design by a factor of 5, so must be reserved for smaller designs. But it has the secondary advantage of also being "fail-safe" in real time. In the event of a single-bit failure (which may be unrelated to radiation), the voting logic will continue to produce the correct result without resorting to a watchdog timer. System level voting between three separate processor systems will generally need to use some circuit-level voting logic to perform the votes between the three processor systems.

Watchdog timer will perform a hard reset of a system unless some sequence is performed that generally indicates the system is alive, such a write operation from an onboard processor. During normal operation, software schedules a write to the watchdog timer at regular intervals to prevent the timer from running out. If radiation causes the processor to operate incorrectly, it is unlikely the software will work correctly enough to clear the watchdog timer. The watchdog eventually times out and forces a hard reset to the system. This is considered a last resort to other methods of radiation hardening.

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