Elektronikdesign für den Weltraum

Elektronikdesign für den Weltraum

Der Hersteller von Raumfahrzeugen Space Exploration Technologies arbeitet daran, hohe Kosten und technologische Hindernisse zu überwinden, die mit einem Flug ins Weltall verbunden sind. Hierfür nutzt das Unternehmen die vereinheitlichte Design-Umgebung von Altium Designer.
Das Weltall war bisher die Domäne von zahlungskräftigen Organisationen wie Regierungen und großen Unternehmen. Angesichts der rasanten Entwicklungen in der Elektronik und Informationstechnik will das Unternehmen Space Exploration Technologies, kurz SpaceX, aus El Segundo, Kalifornien, die Kostenhürde endgültig überwinden. Dafür nutzt das Unternehmen kostengünstige Trägerraketen des Typs Falcon sowie das Raumfahrzeug Dragon. Durch die Kombination aktueller Verfahren, intuitiver Tools und eines unorthodoxen Managements ist es dem Unternehmen gelungen, kostengünstige Fahrzeuge zu entwickeln, in denen dennoch Raumfahrtelektronik von höchster Qualität steckt. Aufgrund dieser Strategie konnte das Unternehmen einen Commercial Orbital Transport Services-Vertrag (Cots) mit der NASA abschließen. Dieser Vertrag soll zeigen, dass auch mit privaten Raumfahrzeugen Start- und Versorgungsservices für die International Space Station (ISS) erbracht werden können. Damit dies gelingt, müssen die gesamte Elektronik und dazugehörigen Bauteile höchsten Qualitätsstandards entsprechen, extrem zuverlässig sein und eine Reihe branchenspezifischer und behördlicher Richtlinien erfüllen. Die physikalische Belastung des Raketenstarts und die extremen Bedingungen im Weltall stellen hohe Anforderungen an alle Systeme, insbesondere an die Elektronik. Damit die Raketen diese anspruchsvollen Anforderungen erfüllen, entwickelt SpaceX viele seiner Baugruppen und Controller unter Berücksichtigung einer entsprechenden Fehlertoleranz. Diese zeitaufwändige Methode sorgt dafür, dass alle Systeme auch dann weiter funktionieren, wenn ein Bauteil ausfällt. Controller und Baugruppen sind mit zusätzlichen Bauteilen und Backup-Mechanismen ausgestattet, um eine höhere Zuverlässigkeit zu erreichen. Angesichts hochkomplexer Designs wie einem fehlertoleranten Controller mit mehreren FPGAs bestand die Herausforderung des Unternehmens darin, diese Designs termingerecht fertigzustellen und dabei für eine hohe Qualität und niedrige Kosten zu sorgen.

Eine Plattform für Design und Verwaltung

Dazu integrierte das SpaceX Altium Designer in den Produktionsprozess. Dies vereinfachte den Design-Prozess: Das vereinheitlichte System ermöglicht eine bessere Versionskontrolle als das vorherige Toolset, sodass SpaceX die fortlaufende Entwicklung jetzt besser verwalten kann. Durch die Live Design-Funktionen lassen sich einfache Änderungen automatisch in allen bereits erstellten Baugruppen und Schaltplandaten anpassen. So konnte das Unternehmen einen flexiblen und trotzdem zuverlässigen Entwicklungs- und Dokumentationsprozess für alle PCB-Designs etablieren. Durch umfassende Bibliotheksfunktionen stehen aktuelle Bauteile in einem System zur Verfügung. Außerdem können die Ingenieure nun neue Bauteile selbst hinzufügen, was eine bessere Anpassung und eine einfachere Erweiterung der Baugruppen ermöglicht. Zusätzlich wurde der Design-Flow um den einsatzbereiten FPGA-basierenden Bauteilen der Lösung ergänzt, um eine sofortige FPGA-Integration zu ermöglichen. Aufgrund dieser Funktion kann das Weltraumunternehmen FPGAs sofort in seine Designs integrieren und auf Schaltplanebene eingeben. Durch die Kombination dieser Funktionen steht nun eine vollständige Lösung auf einer einzigen Plattform zur Verfügung. So gelang es den Raumfahrt-Experten u.a. Raumfahrtelektroniksysteme zu entwickeln, die den Qualitätsstandards entsprechen wie sie in Satellitenprojekten im Wert von vielen Millionen Dollar eingehalten werden. Seit der Einführung der Software in den Entwicklungsprozess konnte SpaceX Produktivitätssteigerungen verbuchen. Ohne die Software vorher kennen gelernt zu haben, waren die Ingenieure in der Lage, Designs fertigzustellen. Das übliche Training, das ansonsten für separate oder lose miteinander verbundene Werkzeuge notwendig ist, konnte entfallen. Zwei Wochen nachdem die Technologie erstmals zum Einsatz kam, konnten die Entwickler eine Baugruppe zur Stromverteilung und Regelung erstellen.

Ein Schritt zum Weltraumtourismus

Seit dem Jahr 2002 hat SpaceX eine Familie von kostengünstigen, zuverlässigen Trägerraketen für den dynamisch wachsenden privaten und kommerziellen Weltraummarkt entwickelt. Die Fähigkeit, die Kosten der Weltraumtechnologie zu reduzieren und dabei Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu steigern, wurde durch innovative Entwicklungsmethoden und eine flache Managementstruktur ermöglicht. Zum Portfolio der kostengünstigen und wiederverwendbaren Raketen von SpaceX gehört u.a. die kleinste Rakete des Unternehmens Falcon 1. Sie kann bis zu 570kg in die Low Earth Orbit-Umlaufbahn (LEO) transportieren. Die größte Rakete, die Falcon 9 Heavy, kann bis zu 28.700kg in die LEO- oder 10.350kg in die Geosynchronous Transfer Orbit-Umlaufbahn (GTO) transportieren. Das Raumschiff Dragon hebt mit einer Falcon 9 Trägerrakete ab und kann bis zu 2.500kg Fracht oder eine Crew von bis zu sieben Astronauten in den LEO transportieren. Diese Fähigkeit, Passagiere zu befördern, ist ein wichtiger Teil der allgemeinen SpaceX Vision, die Kosten der Raumfahrt zu reduzieren und das Weltall öffentlichen und privaten Kunden zugänglich zu machen.

Altium Europe GmbH
www.altium.com

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