Wenzel利用COTS频率控制和定时组件实现空间应用

对…的需求基于空间的频率控制和定时组件近年来增长迅速。这一新趋势是由对更好的通信、导航、地球观测和科学研究的需求所驱动的。为了满足这些要求，飞行任务需要高度可靠和精确的频率控制和定时解决方案石英晶振。过去，这些组件是定制设计和制造的，成本很高，交付周期很长。然而，商业现货（COTS）组件已成为游戏规则的改变者，为以下领域提供了经济高效且可靠的性能天基频率控制和定时应用.

定制频率控制和时序元件挑战

频率控制和定时组件负责同步航天器系统、通信链路和科学仪器。精确的计时对于协调数据收集、导航和通信至关重要，可确保任务顺利进行并实现目标。
传统上，空间机构和组织依赖定制设计的组件进行频率控制和定时应用。贴片晶振，这些组件的开发和制造通常非常昂贵，需要进行广泛的测试和鉴定，以确保它们能够承受太空的恶劣条件，包括极端温度、辐射和真空。
在升级和更换方面，定制组件也带来了挑战。航天器通常具有较长的运行寿命，随着技术的进步，定制组件可能会过时。这需要昂贵且耗时的重新设计和更换。

COTS革命及其对国防部的影响
1994年，时任国防部长威廉·佩里发布了一份备忘录，“规范和标准——一种新的经营方式”该计划指导副部长和国防部（DoD）各部门的负责人实施国防部军事规范和标准过程行动小组的建议，该小组编写了一份题为“变革蓝图”的报告

●验证和测试-许多COTS组件都经过了严格的测试和验证，以用于各种行业的预期应用，这可以用于空间应用，从而节省时间和资源。我们将在下面更详细地探讨认证和资格标准。

挑战和考虑:
虽然COTS频率控制和定时组件具有显著优势，但它们在空间应用中也面临挑战和问题:
●适应-COTS组件可能需要修改以满足空间任务的特定要求，包括辐射加固、热管理和集成到航天器系统中。
●可靠性-虽然COTS组件是为其预期应用的可靠性而设计的，但它们可能不具有固有的抗辐射能力。可能有必要进行额外的测试和强化，以确保它们在空间环境中的可靠性。
●风险管理-太空任务本来就有风险，石英晶体振荡器，任何组件故障都可能造成严重后果。组织必须仔细评估和减轻与使用COTS组件相关的风险。

COTS频率控制和定时元件的合格标准
太空任务对可靠性和耐用性的要求超出了大多数商业组件的设计承受能力。为了弥补易于获得的COTS频率控制和定时组件与严格的空间要求之间的差距，航空航天工业建立了无数的资格标准。这些标准建立了使COTS组件适应空间应用的框架，同时确保它们满足可靠性和性能的高标准。

值得注意的是，当COTS组件经过完整的空间鉴定过程时，它们将成为真正的空间合格组件，满足空间任务的严格要求。然而，这些标准为评估COTS适用性提供了基础，而不是框架。虽然它们为太空合格组件设定了基准，但并未强制规定具体的测试程序。用于空间应用的商用组件处于中间位置。它们天生就具备空间的关键可靠性和坚固性标准，但没有经过全面鉴定。工程师可以进行有限的测试或修改，以适应特定的任务需求。商用组件提供了具有成本效益的解决方案，但缺乏与完全符合空间要求的组件相同的保证。工程师和设计师在为太空任务选择组件时必须把握这种微妙的局面，确保做出明智的决策。

资质和测试标准：
●军用性能规范
MIL-PRF可以被描述为最初为美国国防部设计使用的军事规格的集合。然而，由于其严格的测试和质量控制要求，它们也被广泛用于空间应用。MIL-PRF规范涵盖了空间电子设备中使用的组件和材料的各个方面，包括抗振性、热性能、辐射耐受性等。
举个例子，MIL-PRF-38534/-38535概述了用于航天和军事应用的混合微电路的要求。MIL-PRF-38534/-38535认证不仅仅对最终产品进行验证，还对装配中的所有子部件和材料进行验证。
●AS9100
AS9100是专门为航空航天工业定制的质量管理体系标准。石英晶体，它涵盖了航空供应链的所有方面，包括设计、开发、生产和服务。AS9100认证表明制造商坚持严格的质量和可靠性标准。
●EEE-INST-002
这份美国国家航空航天局文件概述了美国国家航空航天局·GSFC航天项目EEE（电气、电子和机电）组件的选择、筛选、鉴定和降额的基本标准。其目的是确保选择合适的组件，保持任务的可靠性，并在制造空间硬件时遵守预算限制。
●佩姆-INST-001
这份美国国家航空航天局文件为PEM（塑料封装微电路）建立产品保证框架，以实施GSFC PEM政策。它借鉴了现有的军事和航空部件资格认证体系、零件工程界的集体经验和行业惯例。该产品保证系统的目的是减轻与使用PEM相关的风险，评估其长期可靠性并防止故障。有源晶振，商用质子交换膜主要是为良性环境设计的，当用于太空应用时会带来高风险。因此，在没有进行额外测试和分析以确保足够的可靠性和辐射耐受性的情况下，PEM在高可靠性场景中是不可接受的。
●军用标准883
这个标准概述了为微电子设备设计的测试技术和协议，包括旨在用于空间相关应用的测试技术和协议。它包含一系列环境测试程序，包括评估温度循环、热冲击和辐射弹性。
●欧洲空间标准化合作组织
ECSS标准在欧洲航天任务中得到广泛应用，成为开发和评估航天系统和部件的结构基础。
●JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）标准
JAXA已经建立了自己的一套标准监督设计、生产和检查用于日本太空任务的部件。

结论
COTS频率控制和定时组件在空间应用中的使用代表了行业中的重大范式转变。这些组件提供了具有成本效益、易于获得且技术先进的解决方案，可以加快任务开发并增强航天器的能力。然而，它们的采用还需要仔细考虑适应性、可靠性和风险管理，以确保太空任务的成功。展望未来，COTS频率控制和定时组件的集成将在塑造空间探索和通信的未来中发挥更加突出的作用。