這種方法正快速受到歡迎,並在尋求部署全球通訊基礎設施或建立極高回訪率影像系統的公司和組織中頗有吸引力。在這些情況中,抗輻射(元件和系統抗太空輻射損壞性影響的能力)仍然是工程師必須考慮的重要因素,否則將出現問題。便宜的商用零件通常並未經測試或並非設計用於太空輻射,因為衛星開發者無法獲得所需要的重要輻射資料。

為了降低輻射效應導致衛星運行被廣泛破壞的風險,衛星系統設計人員可以與經驗豐富的零組件廠商合作,他們提供傳統的航太級抗輻射元件,也能對提供針對商用零件的精確輻射資料(圖1)。

20180102TA01P1 圖1 系統設計人員可以受益於與元件製造商合作,從而降低輻射對衛星子系統關鍵功能的影響。

傳統方法(航太1.0)

航太硬體設計人員面對兩個基本問題:太空輻射影響和在軌故障的高機會成本。電離輻射的長期積累及粒子輻射導致的自發性單粒子翻轉,這對飛行器而言都是致命點。為了減輕這兩種影響,傳統飛行器的設計人員選擇已經考慮到輻射影響的元件,或選擇被刻意加固硬化以抵禦太空輻射破壞效應的元件。

衛星的發射費用高昂,而且開發時間漫長,加上難以執行維護任務,因此設計人員要使用最高篩選級別(如QML V級)的元件。元件要通過認證以證明在這些嚴苛環境中的可靠性,因此它們必須接受數百萬元件小時的嚴格試驗。例如,有些用於航太業的FPGA系列經過了3,500萬以上元件小時測試。

輻射特性和可靠性測試是昂貴和費時的,導致元件遠比和其相當的商用產品貴很多。除此之外,具有足夠強大的輻射和可靠性的元件,通常是比與其相當的商用產品落後了一代或更多。

新方法(航太2.0)

雖然便宜的商用塑膠包裝元件不適合用於外太空和關鍵軍事及國防太空任務,但是,它們用於某些近地軌道任務是可以接受的。對於一些太空項目來說,使用完全合格的元件是無法負擔的,因此採用商用現貨(COTS)元件通常是滿足任務性能和成本要求的唯一方法。例如,某些現代衛星項目並不購買可靠性高和通過輻射試驗的元件,而是採用數百或數千個衛星,透過部署眾多服務同一目的的衛星,從而實現系統級冗餘。

機會和問題

最近,數家大型公司提出了許多新的大型太空衛星計畫。衛星電訊新創公司OneWeb在2016年12月獲得軟體銀行(Softbank)主導的12億美元超額認購的投資,因此在2017年2月宣佈即將在其原先提出的幾百個衛星群之外,另外增加2,000個衛星。2017年2月,Planet發射了由88個微衛星組成的微衛星群,創下了提供最大有效載荷的紀錄。

近年來,美國軍方也對商用元件表現興趣。特定任務的小型衛星可使用商用元件來降低發射成本,並且縮短決定製造衛星和發射衛星之間的時間。在軍事方面,把功能散佈在多項資產上,會使得敵人更難對其作出攻擊,因此軍事計畫者有更多動機來考慮部署相對便宜的冗餘衛星群。

顯然,這種採用便宜的商用元件製造大型衛星群的想法正快速受到歡迎,並且已經看到許多大型公司,例如Google和SpaceX進行了這方面的投資,甚至會有更多的潛在客戶正在觀察這些新航太任務的有效性和結果,每個人都在等待、觀望是否值得投資於航太2.0。最近一篇刊載於商業雜誌《富比世(Forbes)》標題為「如何投資於航太2.0熱潮以獲得巨大利潤(How to Win Big Investing In the Space 2.0 Boom)」的文章中,天使投資人Brandon Farwell表示,新航太項目最近的成功「催化了創投界對太空的興趣。」

但是,當一些共通故障模式逃過製造批次的商用試驗時,航太2.0策略會出現重大問題。某個元件的故障模式,不僅影響衛星上的一個系統,而且還可能影響整個衛星群。雖然單顆衛星出現故障可能並不會削弱衛星群的功能,但是仍然可能存在其他大規模的災難性故障,因此,對可靠性測試和輻射特性的要求仍然存在。對尋求設計新太空衛星群的太空公司來說,主要問題是商用元件製造商通常沒有足夠的專業知識和資源來測試用於嚴苛輻射環境下的元件,並提供輻射資料。

傳統航太製造商:完美的資源

有意在航太2.0市場尋求機會的航太承包商應該與成熟的太空1.0元件製造商合作,利用傳統航太產品的經驗和專業技術,來裝配和測試更便宜且抗輻射的商用級產品。這對太空1.0的公司而言極具優勢,可以利用他們的傳統、技術和對可靠性、輻射和包裝需求的瞭解,來為當前的問題提供解決方案。最重要的是,它們可以向新航太衛星系統和子系統承包商提供用於設備選擇的非航太級元件的輻射資料。

美高森美是在傳統航太應用中取得許多成功的典範,其傳承可追溯到1950年代,並擁有數百萬小時輻射表徵和可靠性測試經驗,為許多商用產品提供詳細準確的資料。這種輻射資料非常全面,涵蓋電離總劑量的所有方面,包括高劑量和低劑量,以及輻射誘導的單粒子效應。除此之外,美高森美已經在幾項新航太應用中獲得了成功,包括已經在運行,以及某些準備運行但尚未發射的語音、資料和寬頻網路傳播衛星群。

在傳統的航太工業,產品需要高可靠性和廣泛測試,已經建立傳統和專業技術的公司從而主宰了該行業,最近湧現的航太2.0則為其提供了更多的機會。對尋求航太2.0機會感興趣的承包商應與著名的航太1.0元件製造商合作,利用它們在傳統航太產品方面的經驗和技術。最終,正是這些公司有能力提供解決方案,可以幫助航太2.0承包商取得成功。